流体动力学_光滑粒子流体动力学（光滑粒子流体动力学方法）

摘要： 　　　　我们知道，大天然中的很多物质以纳米尺寸出现时，它们的物理化学性子会出现奇特的变革，比如，铜不再具有导电性，金显现出强催化性，而石墨烯显现强导电导热性能...

　　我们知道，大天然 中的很多 物质以纳米尺寸出现 时，它们的物理化学性子 会出现奇特 的变革 ，比如 ，铜不再具有导电性，金显现 出强催化性，而石墨烯显现 强导电导热性能等等。那么，在流体动力学中，水在通过纳米尺寸的管道时会有什么奇特 的征象 吗？

　　根据流体力学中泊谡叶方程，流体通过管道时遭遇的流阻R与管道半径r的四次方成反比（Q=π×r^4×Δp/(8ηL)）。也即，流体通过纳米级别的窄孔时，流速就会非常慢。然而，在2005年，来自肯塔基大学的Mainak Majumder、Nitin Chopra以及Bruce J. Hinds和来自列克星敦能源应用研究中心 的Rodney Andrews在Nature上发表了一篇文章（Nature,2005,438, 44），表明流体通过碳纳米管时的速率 比从宏观流体动力学猜测 而得出的流速快了3-4个数量 级。这在流体动力学范畴 引起了极大的关注。文章中对此征象 的表明 是：由于碳纳米管的管壁光滑，管壁与流体之间的摩擦力可以忽略不计，从而致使流速加快 。而水流作为一种特别 层流，由于碳纳米管管壁疏水，管壁与水之间结协力 非常弱，且水分子间有有序的氢键。因此，水通过碳纳米管时比其他流体速率 更要快得多。

碳纳米管布局 表示 图。图片泉源 ：Google

　　但是至今，碳纳米管为什么具有云云 强的渗水本领 ，仍旧 具有争议。关于此，如今 有两个重要 的观点。此中 一个观点以为 ，水之以是 可以或许 快速穿过碳纳米管，是由于多少 效应以及由碳纳米管的曲率诱导产生的两者之间不可通约性。另一个观点则以为 ，当水限域于纳米环境 时，与体相水相比，水的氢键网络发生了巨大的变革 。这才是水可以或许 在碳纳米管中快速传输的重要 缘故起因 。但值得留意 的是，以往对这些理论的证明 多是通过模仿 盘算 进而创建 模子 来实现的，通过实行 证明 的险些 没有。

　　不久前，法国人Simona Dalla Bernardina、Pascale Launois和Pascale Roy通过红外表征的本领 ，观测到了水在碳纳米管传输时氢键网络的变革 ，并指出由此导致的水分子的存在情势 便是 水输运速率 快的缘故起因 。这项工作发表在JACS上。（Water in Carbon Nanotubes: The Peculiar Hydrogen Bond Network Revealed by Infrared Spectroscopy.J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10437-10443, DOI: 10.1021/jacs.6b02635）

　　图1. 水合碳纳米管中水分子的红外吸取 。图片泉源 ：JACS

　　研究职员 使水在肯定 的蒸汽压下通过直径为0.7到2.1nm的单壁碳纳米管，并通过红外本领 监测这一过程。由于仅从红外吸取 曲线上不易看出差别 ，作者用【Absorbance difference= -log(CNT RH/ CNT Dry) -雷同 RH下蒸气压的红外吸取 ，此中 RH=(P/P0)*100, P0为298 K时31.7 mbar条件下的水蒸气压】来表现 差别 湿度下举行 水合的碳纳米管与干燥碳纳米管的红外吸取 的差别 。结果 表明，纳米限域的水分子的弯曲模态和振动模态与体相水相比都发生了红移（图1）。别的 ，在40 cm-1处观测到到一个峰。这些变革 与Martí和Gordillo在2001年对限域于0.8-1.6 nm的单壁碳纳米管中的水的红外光谱的模仿 盘算 的结果 同等 。Martí和Gordillo把40 cm-1的峰归结于氢合的O-O-O单位 的弯曲。而作者连合 Kumar团队对于碳纳米管中水的模仿 盘算 ，把40 cm-1处的峰归因于一维水分子链在0.8 nm左右的纳米管中的横向平移，这一点在背面 还会提到。

　　图2. 差别 湿度下水合的碳纳米管中的水分子，冰水肴杂 物以及液态水的羟基伸缩振动峰。图片泉源 ：JACS

　　羟基伸缩振动的峰重要 出如今 3100-3700 cm-1，从图2中可以看出，水合碳纳米管中的水分子在3500-3700 cm-1出现了两个峰，而在体相水和冰中都没有云云 高能量的峰。这表明在水合碳纳米管中的水分子相互之间连合 较疏松 ，氢键镌汰 。与向来 文献中对碳纳米管中水分子输运模仿 盘算 的结果 同等 ，这也是在对水在单壁碳纳米管中的水动力学研究中第一次通过实行 本领 观察到这一征象 。

　　接着，作者对3100-3700 cm-1之间的峰举行 了半定量分析，通过高斯函数去卷积得到五个峰，分别为G1 (3215 cm-1)、G2 (3340 cm-1)、G3 (3435 cm-1)、G4 (3569 cm-1)、G5 (3640 cm-1)。在RH = 9%的湿度环境 下通过碳纳米管时，G1峰则对应着冰相的多边形构型的出现（图2），而之前有文献表明水分子通过直径1.1-1.2 nm的碳纳米管时会出现 冰相的多边形构型。也即RH=9%时，G1峰对应着水分子通过直径1.1-1.2 nm的碳纳米管。而85%的峰都是由高频率的G4和G5峰构成 的，这表明水分子之间配位数不高出 2，连合 较疏松 。基于对40 cm-1的低能量峰推测出的横向平移活动 ，可以推断出G4、G5峰对应着水以一维的水分子链的情势 存在于0.8 nm左右的碳纳米管中。这个结果 也和多孔吸附曲线相同等 。RH = 30%时，G1、G2峰加强 ，表明强连合 的水分子的数量 增长 。而RH ≥ 50%时，G3出现 强峰，G1、G2、G3在3100-3500 cm-1中出现 出体相水通过直径1.4 nm的碳纳米管时的羟基伸缩，因此，在直径为1.4 nm的碳纳米管中，G4、G5峰应归因于间隔 纳米管壁近来 的是一层指向管壁的由“自由”羟基（悬空键）构成 的水分子。

　　图3. 差别 湿度环境 下水通过碳纳米管时3100-3700 cm-1之间出现的峰。图片泉源 ：JACS

　　由此举行 总结，纵然 在水饱和的状态下，高能量的羟基伸缩振动依然存在，碳纳米管中水分子间的氢键依然比力 疏松 。对于0.7-2.1 nm直径的碳纳米管皆是云云 。但对于差别 直径的碳纳米管中的水氢键疏松 的缘故起因 差别 。对于较小直径（约莫 0.8 nm）的碳纳米管，水分子配位数小于便是 2，出现 出一维链布局 （1D structure），是氢键疏松 的重要 缘故起因 。而对于直径较大（1.4 nm）的碳纳米管，其重要 缘故起因 是间隔 纳米管壁近来 的是一层指向管壁的“自由”羟基（悬空键）构成 的水分子层。这些发现为疏水纳米孔道中水分子建模提供了参考。

图4. 机理表示 图。图片泉源 ：JACS

　　1. https://www.nature.com/nature/journal/v438/n7064/full/438044a.html

　　2. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b02635

（本文由Shuye供稿）

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