（动力工程及工程热物理专业论文）纳米通道内流体流动表面效应的分子动力学模拟研究.pdf

中文摘要 摘要 纳米流动在微纳机械、纳米储能、农业生产等领域中有广泛的应用前景。纳 米尺度内，流体流动过程呈现完全不同的形态，由于只有有限个数的分子，分子 间的作用占据了主导性地位，传统的连续模型方法已经不能预测和解释流体在纳 米尺度的特征，分子动力学模拟成为强有力的研究方法和研究手段。理解、掌握 微纳尺度的流体特性，以达到控制、优化纳米尺度内流体的运动，可以促进发明 新的设备及应用。在纳米通道内，流体与固壁分子间的作用、固壁的表面状况都 对其中的流体产生强烈的影响，本文采用分子动力学方法，模拟流体在纳米通道 内运动，着重于研究流体流动的表面效应，研究了气体在纳米通道内流动的切向 动量协调系数及表面亲润性非对称通道内的运动规律、混合气体的流动特性、含 有气泡的流体运动情况、单壁碳纳米管壁面手性对流体的运动影响，最后实验定 性验证纳米尺度流动的速度效应并探讨构建纳米泡沫储能系统。 发现气体在壁面有吸附层时，切向动量协调系数随着温度升高而降低；在吸 附层能够解吸附的温度时，切向动量协调系数发生突跃；在壁面无吸附层情况下， 切向动量协调系数亦随着温度升高而降低。在本文模拟条件下，气体粒子离开壁 面吸附的能力及壁面粒子热运动产生的粗糙度决定了切向动量协调系数的分布。 气体在j a n u s 界面的纳米通道内流动，总体流动速度随着温度的升高而减速。由于 密度分布的不对称性，呈现了特殊的流型，该流型既不是类泊萧叶流动，也不类 似于栓塞流动。 发现混合气体在纳米通道中流动时，气体混合物不再均匀一致，亲水性粒子 随着自身比例的减少，逐渐被吸附于壁面，而疏水性粒子主要分布于通道中间。 在亲水粒子、疏水粒子以及壁面粒子相互作用下，混合气体在壁面附近发生了弱 相互作用向强相互作用的转变，形成了类固体层。流动速度随着疏水性粒子比例 的增加而升高，同时，滑移速度也从负滑移速度逐渐转变为正滑移速度。亲、疏 水粒子各占5 0 的气体混合物在纳米通道内流动时，亲水粒子的解吸附能力随着 温度升高而增大，使得固壁附近亲水粒子密度随着温度升高而降低；疏水粒子随 着温度升高逐渐能够到达固壁附近。在温度较低时，混合气体在纳米通道内分布 有明显的分层现象，而随着温度升高，层化现象减弱：混合气体在纳米通道内流 动，在固体壁面从温度较低时的无表观滑移到表观滑移速度随着温度的升高而逐 渐增大；而在通道中心混合气体流动速度则随着温度升高而降低。 提出了一种统计纳米通道中气泡运动速度的方法，该方法根据密度分布定位 气泡的位置，进而得到气泡的位移随时间变化规律，从而求出气泡的速度。发现 重庆大学博士学位论文 在亲水性壁面纳米通道中，气泡形成于通道中间。在势能强度较大时，壁面吸附 分子较多，气泡也较大，反之则气泡较小，气泡的运动速度接近但小于通道中心 流速。对超疏水性壁面，气泡则形成在固壁附近，两个壁面形成一对对称的气泡， 气泡运动速度接近但大于边缘速度。流体总的流动速度随着流体分子与壁面分子 作用的减弱而增大，滑移速度则逐渐从负转变为正；当壁面为超疏水性时，随着 外界驱动力的增大，两壁面上气泡被逐渐拉长，同时变得逐渐扁平；前端“接触角” 逐渐增大，而后端“接触角”逐渐减小。在不同驱动力作用下，两个气泡总是保持相 同的速度，气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力增大，边界 层及通道中心速度皆呈现增大趋势。当纳米通道上板做剪切运动时，两个气泡之 间吸引力使得它们总是保持相同速度前进。板间距离对气泡速度影响较小或者没 有影响。纳米气泡间吸引力的存在，加快了固定壁面附近流体的流动速度，减缓 了靠近运动壁面附近流体的速度，增大了流体在纳米通道内速度滑移。 建立了流体在单壁碳纳米管中流动模型，对比分析了氩气和水在近似相等半 径的椅型和锯齿型单壁碳纳米管中的流动。同等外力驱动下，椅型单壁碳纳米管 中流体所受的阻力小于相同半径的锯齿形单壁碳纳米管中流体所受的阻力，显示 出了强烈的手性效应。手性效应随着尺寸的增大而减小，随着流速的增大而增大。 流体在近似半径的锯齿型单壁碳纳米管中的剪切应力和有效粘度都大于对应椅型 中的参数。剪切应力和有效粘度随着尺寸及流速增大而减小，呈现出显著的尺寸 效应和速度效应。流体呈现典型栓塞型流动，手性对密度分布影响较小。单个流 体粒子沿不同壁面运动时所受的作用力差异从根本上解释了流体在单壁碳纳米管 中所受手性效应的来源。 通过考察将去离子水压入纳米泡沫材料z s m 5 沸石中的过程，实验研究了纳 米尺度流体的流动特性。结果表明流体在疏水性纳米通道中流动时，流体的有效 粘度随着流动平均速度增大而减小，定性的验证了分子动力学模拟结果中的速度 效应。同时，分析水在纳米泡沫孔中的流动，验证了纳米泡沫系统的储能特性， 这可以用于振动等低品位能源的利用。 关键词：纳米通道，纳米气泡，碳纳米管，表面效应，分子动力学模拟 英文摘要 a b s t r a c t f l o wi nn a n o s e a l eh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm i c r o n a n o - m a c h i n e ， n a n o e n e r g ys t o r a g es y s t e ma n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ne ta 1 t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f c o n t i n u o u sm o d e lc a n n o tb eu s e dt o p r e d i c t a n de x p l a i nt h en a n o f l u i d i c s t h e n a n o f l u i d i cf e a t u r e sa r en o tp r o f i c i e n tk n o w nt oh u m a n k i n d n a n o f l u i d i c sp r e s e n t sa c o m p l e t e l yd i f f e r e n tf o r m ，s i n c eo n l yaf i n i t en u m b e ro fe l e m e n t s ，t h ec o n t i n u o u s h y p o t h e s i sm o d e li sf a i l u r e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e so c c u p yt h ed o m i n a n t p o s i t i o n , m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o r sb e c o m eap o w e r f u lr e s e a r c hm e t h o d sa n d r e s e a r c ht o o l s i no r d e rt oc o n t r o la n do p t i m i z et h em o v e m e n to ff l u i di nt h en a n o s c a l e ， a n dt op r o m o t et h ei n v e n t i o no fn e we q u i p m e n ta n do t h e ra p p l i c a t i o n s ，i ti sn e e d e dt o u n d e r s t a n da n dm a s t e rt h en a n o f l u i d i e s i nt h en a n o c h a n n e l s ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h e f l u i da n dt h e s o l i dw a l lm o l e c u l e s ，s o l i dw a l ls u r f a c ec o n d i t i o n sh a v ，e s t r o n g i n f l u e n c eo nt h ef l u i d ，m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o ni sa d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ef l u i d m o t i o ni nt h e n a n o c h a n n e l ，f o c u s i n go nt h es u r f a c ee f f e c t s w ci n v e s t i g a t e dt h e t a n g e n t i a lm o m e n t u ma c c o m m o d a t i o nc o e f f i c i e n to fg a sf l o wi nn a n o c h a n n e l ，g a sf l o w i nn a n o c h a n n e lw i t ha n o n - s y m m e t r i cw e t t a b i l i t ys u r f a c e ，h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fg a s m i x t u r e s ，t h ec h i r a le f f e c t so ft h es i n g l ew a l lc a r b o nn a n o t u b e a tl a s t , w eq u a l i t a t i v e l y v a l i d a t e dt h em dr e s u l t sb ye x p e r i m e n t , a n ds t u d yt ob u i l dn a n o f o a r ne n e r g y 。1s t o r a g e s y s t e m i ti sf o u n dt h a tt a n g e n t i a lm o m e n t u ma c c o m m o d a t i o nc o e f f i c i e n t ( t m a c ) o fg a s d e c r e a s e s 诵t l li n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew h e nt h ea d s o r p t i o nl a y e re x i s t so nt h ew a l l ； t m a cj u m p sa td e s o r p t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ea d s o r p t i o nl a y e r ；t m a ca l s od e c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew h e nn oa d s o r p t i o nl a y e ro nt h ew a l l t h eg a sp a r t i c l e s d e s o r p t i o nc a p a c i t ya n dt h ew a l lr o u g h n e s sg e n e r a t e db yt h e r m a lm o t i o nd e t e r m i n et h e d i s t r i b u t i o no ft m a c t h eo v e r a l lf l o wr a t es l o w e dd o w n 、啊t l li n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h e ng a sf l o wi nan a n o c h a n n e lw i t l lan o n - s y m m e t r i cw e t t a b i l i t ys u r f a c e b e c a u s eo f t h ea s y m m e t r yd e n s i t yd i s t r i b u t i o n , t h ef l o wi sn o ts i m i l a r 、柝n lac l a s sp o i s e u i l l ef l o w , o rap l u g - i nf l o w i ti sf o u n dt h a tw h e n g a sm i x t u r ef l o w si n t h en a n o c h a n n e l ，i ti sn ol o n g e ru n i f o r m h y d r o p h i l i cp a r t i c l e sg r a d u a l l ya d s o r b e do nt h ew a l lw i mt h er e d u c t i o no fh y d r o p h i l i c p a r t i c l e s ，w h i l et h eh y d r o p h o b i cp a r t i c l e sa r cm a i n l yl o c a t e di nt h em i d d l eo ft h e c h a n n e l u n d e ri n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eh y d r o p h i l i cp a r t i c l e s ，t h eh y d r o p h o b i cp a r t i c l e s i i i 重庆大学博士学位论文 a n dt h ew a l lp a r t i c l e s , t h es o l i d l i k el a y e ri sf o r m e d f l o wr a t ei n c r e a s e st h ep r o p o r t i o n o fh y d r o p h o b i cp a r t i c l e s ，缸t h es a m et i m e ，v e l o c i t y s l i pg r a d u a l l yc h a n g e s 筋m n e g a t i v et op o s i t i v e w h e nh y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h o b i cp a r t i c l e s5 0 0o fe a c ho ft h e g a sm i x t u r ef l o w si nt h en a n o - 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h y d r o p h o b i cw a l l ，t h eb u b b l e sc o m e sf o n l ln e a rt h e s o l i dw a l l ，t w os y m m e t r i c a lb u b b l e sa r eo nt h ew a l l b u b b l e sv e l o c i t yi sc l o s et ob u t g r e a t e rt h a nt h em a r g i n a lr a t e t h et o t a lf l o wr a t ei n c r e a s e sa n dv e l o c i t ys l i pi sg r a d 砌l y c h a n g i n gf r o mn e g a t i v et op o s i t i v ew h e nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf l u i dm o l e c u l e sa n d w a l lm o l e c u l e sd e c r e a s e s t h eb u b b l e so nt h es u p e r - h y d r o p h o b i cw a l la l eg r a d u a l l y e l o n g a t e d , a n dg r a d u a l l yb e c o m ef l a tw h i l et h ed r i v e nf o r c ei n c r e a s e s t h ef r o n t ”c o n t a c ta n g l e ”i n c r e a s e d ，b u tt h eb a c k - e n d ”c o n t a c ta n g l e ”d e c r e a s e s u n d e rd i f f e r e n t d r i v i n gc o n d i t i o n s ，t h et w ob u b b l e sa r ea l w a y sm a i n t a i n i n gt h es a m es p e e db e c a u s eo f t h ea t t r a c t i o nb e t w e e nt h et w ob u b b l e s t h et w ob u b b l e sa r ea l w a y sm a i n t a i n i n gt h e s a m es p e e du n d e rd i f f e r e n td r i v i n gf o r c e t h eb u b b l e sv e l o c i t yl i n e a r l yi n c r e a s e sw i t h t h ed r i v i n gf o r c e w h e nf l u i di ss h e a r e df l o wi nn a n o c h a n n e l ，t h et w ob u b b l e sa r e a l w a y sm a i n t a i n e dt h es a m es p e e db yt h ea t t r a c t i v ef o r c eo fe a c ho t h e r t h ed i s t a n c e b e t w e e nt h ep l a t e sh a sl i t t l ee f f e c to nt h eb u b b l ev e l o c i t y , s oi ti sc o n c l u d e dt h a tt h e a t t r a c t i o nb e t w e e nb u b b l e sa n df l u i dr e s i s t a n c ea r em u t u a l l yb a l a n c e d t h ea t t r a c t i v e f o r c eb e t w e e nn a n o b u b b l e ss p e e d su pt h ef l u i df l o wr a t en e a rt h ef i ) ( c dw a l l ，s l o w s d o w nt h ef l u i df l o wr a t es e a l t h em o v i n gw a l l ，i n c r e a s e st h ef l u i dv e l o c i t ys l i pi n i v 英文摘要 n a n o - c h a n n e l s 啊m o d e lo ff l u i df l o wi ns i n g l ew a l lc a r b o nn a n o t u b e ( s w c n t ) i sm a d e i ti s s t u d i e do ft h ed i f f e r e n c e so ff l u i df l o wi nt w op a r t i c u l a rt y p es w c n t ( z a g z a g 什a n d ”a r m c h a i r ”) ，t h a ti s ，c h i r a le f f e c t s t h ea v e r a g ev e l o c i t yo fs t e a d ys t a t ei nt h ea r m c h a i r s w c n t si sg r e a t e rt h a ni nt h es a m er a d i u sz i g z a gs w c n t su n d e rv a r i o u se x t e r n a l d r i v i n gf o r c e s t h ef o r m e rs h e a rs t r e s sa n de f f e c t i v ev i s c o u sc o r r e s p o n d i n g l yi sa l s o l o w e r , s h o w i n gas i g n i f i c a n t c h i r a le f f e c t c h i r a le f f e c td e c r e a s e si nl a r g e rs i z eo f s w c n t sa n di n c r e a s e sw i t hf l o wr a t e t h es h e a rs t r e s sa n de f f e c t i v ev i s c o s i t yo ft h e f l u i di nt h ez i g z a gs w c n t sa r cg r e a t e rt h a nt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r si nt h e a p p r o x i m a t er a d i u sa r m c h a i rs w c n t s s h e a rs t r e s sa n de f f e c t i v ev i s c o s i t yi n c r e a s e s 谢t l lt h es i z ea n df l o wr a t ed e c r e a s e s ，s h o w i n gas i g n i f i c a n ts i z ee f f e c ta n ds p e e de f f e c t s t h ef l o w ss h o wa t y p i c a lp l u g - i nf l o w t h ec h i r a lo fs w c n l s h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e d e n s i t yd i s t r i b u t i o n s i n g l ef l u i dp a r t i c l es u f f e r sd i f f e r e n tf o r c e sa l o n gt h ed i f f e r e n tw a l l m o t i o n i tf u n d a m e n t a l l yi n t e r p r e t st h es o u r c eo fc h i r a le f f e c t sw h e nf l u i df l o w si n s w c n l s t h et y p i c a ln a n o s c a l ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e db yo b s e r v i n gt h ed e i o n i z e d w a t e rp r e s s e di n t on a n o - f o a mo fz d m - 5z e o l i t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t i v e v i s c o s i t yd e c r e a s e s 谢也t h ef l u i da v e r a g ev e l o c i t yi n c r e a s i n g ，s ot h er e s u l t so f m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o na r eq u a l i t a t i v e l yv a l i d a t e d a tt h es a m et i m e ，l l a n o - f o a m m a t e r i a l sc a nb ea p p l i e dt oc o n s t r u c tn a n o f o a me n e r g ys t o r a g es y s t e mb ya n a l y z i n gt h e w a t e rf l o wi nt h el l a n o - f o a mh o l e i tc a np r o m o t et h eu s eo fv i b r a t i o na n do t h e r l o w - g r a d ee n e r g y k e y w o r d s ：n a n o c h a n n e l ，n a n o b u b b l e s ，c a r b o nn a n o t u b e ，s u r f a c ee f f e c t s ，m o l e c u l a r d y n a m i c ss i m u l a t i o n v 主要符号表 主要符号表 无量纲化质量 无量纲化长度 无量纲化时间 无量纲化质量 无量纲化力 无量纲化势能 无量纲化质量 波尔兹曼常量 分子间势能 势能函数中的尺寸参数 势能函数中的势阱深度 流体粒子和固壁粒子间的势能 流体粒子和固壁粒子间的势阱深度 流体粒子和固壁粒子间的距离参数 调整势能函数的无量纲参数 切向动量协调系数 入射分子动量 出射分子动量 相应于表面的分子动量 粒子i 在j 步时x 方向的速度 统计开始步数 统计结束步数 流体的动力学粘度 施加于流体分子的重力( 质量力) 单壁碳纳米管的手性 单壁碳纳米管的半径 单壁碳纳米管的手性角 单壁碳纳米管的中两个碳原子间距离 原子受到椅型壁面的作用力 原子受到椅型壁面的作用力 剪切应力 x l p 崎 所r。，广矿。v肠材 盯 气眠石m妇h吃厶厶口g磊毋五石t 重庆大学博士学位论文 町 昂 n 研 p 畔 ， 等效剪切粘度 活塞横截面积 纳米泡沫中纳米孔数量 纳米颗粒体积 纳米颗粒半径 纳米空隙的几率分布密度 注：其他以文中注明为准 x 1 引言 1 引言 纳米流动是指流道特征尺度在l n m - - - - 1 0 0 n m 之间的流动。它是一个古老而又 崭新的流动形式。其古老在于纳米流动亘古既有，时时处处存在，自然界中具有 能够传输不同流体分子的各种纳米孔，如细胞膜中流体的传输、沸石中水的流动 等。其崭新在于人类对纳米流动的崭新认识和应用，随着人类微纳科技的进步， 纳米尺度的流动有广泛应用前景，由于呈现出不同于宏观尺度的奇异物理现象， 正吸引越来越多的研究者投入这一研究。 纳米尺度下换热、快速加热和冷却过程、相变传热现象、液固界面的滑移现 象以及对流体物理性质【l j 的影响都不同于宏观尺度。纳米流体力学作为纳米科学的 一个分支也应运而生，主要研究纳米特征尺度( 1 1 0 0 r i m ) 内流体的特性、操纵及 控制。在纳米尺度范围内，比表面积的增大，流体粒子与固壁粒子间相互作用起 到了决定性作用，传统的连续模型失效，常规的研究方法已经不能适用。分子动 力学方法通过对分子和原子运动的研究，从分子和原子水平上分析事物的本质特 性，是研究纳米流动的有效方法。目前纳米科学的发展未能跟上纳米技术的发展， 理论研究纳米尺度下流动与传热传质，将有助于我们理解、掌握和控制纳米尺度 的流动，促进发明新的设备以及其他应用，因此研究流体在纳米通道内的流动有 着重要的意义。 1 1 纳米流动的应用 随着研究的深入，纳米通道内流动正取得越来越广泛的应用。2 0 0 7 年，美国 p u r d u e 大学的b r i c k 纳米技术中心首次将d n a 单链结合到纳米硅通道内，利用纳 米通道实现了快速精确检测液体中特定的d n a 序列【2 】。2 0 1 0 年，美国麻省理工学 院s t r a n o 小组的l e e 等成功在单壁碳纳米管内观察到了单一离子的运动【3 】，该实验 系统如图1 1 所示。l e e 等通过化学蒸汽沉积方法，在一块1 c m 2 的方形板上生成 单壁碳纳米管，构成一个纳米通道。然后将两个储水槽连接到纳米通道两端，每 个水槽里分别放一根电极，一正一负。当离子从一根电极游离到另一根时，会有 直流电产生，从而可根据电流判断是否有离子通过纳米管。下面重点介绍纳米流 动在纳米机械、纳米储能系统和纳米农业中的应用。 重庆大学博士学位论文 c s i li c o ns u b s t t a t e o p e nn a n o t u b e s 图1 1 纳米通道中单一离子运动实验示意图 f i g 1 1t h e t e s ts c h e m a t i cd i a g r a mo fas i n g l ei o nm o v e m e n ti nn a n o c h a n n e l 1 1 1 微纳机械 1 9 5 9 年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者r 。f e y n m a m 就提出了微型机械设想。 1 9 8 8 年，美国一批著名科学家提出“小机器、大机遇”的口号。微纳机械具有传统 器件所不具有的诸多优点，在医学与健康、航天与航空、环境与能源、生物技术、 国家安全等方面有重要的应用意义。因为具有尺寸微小、功耗小，反映灵敏等宏 观器件所不具有的独特优势，纳米器件一直是纳米学术界最前沿、最活跃的研究 领域。王中林等1 4 1 根据竖直结构氧化锌纳米线的独特性质，以原子力显微镜为工具， 研制出将机械能转化为电能的纳米发电机。这一发明可以整合进纳米器件，实现 真正意义上的纳米系统；它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩，血液流 动等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体 液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米 器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供纳米器件或系统使用，从而让纳米器 件或纳米机器人实现能量自给。 纳米科学与技术受到了世界许多工业国家的重视，纷纷斥巨资开展研究。自 2 0 0 0 年美国国会批准国家纳米计划( n n i ) 以来，研发经费逐年递增，2 0 0 1 年 投入4 6 4 亿美元，2 0 0 7 年则为1 3 9 l 亿美元。欧盟力争在纳米科技领域国际领先， 积极创建欧洲的纳米科技产业，相应成立了欧洲纳米电子行动顾问委员会，构 建欧洲的纳米科技研究网络。第六框架计划中纳米科技投入为1 3 亿欧元，而 在第七框架计划( 2 0 0 7 年2 0 1 3 年) 期间，纳米科技被列为9 大研究主题之 一，投入预计增至3 4 7 5 亿欧元。日本在第二期科学技术基本计划( 2 0 0 1 年一2 0 0 6 年) 中，将纳米科技与生命、信息、环保科技等一起被列为发展战略的重中之重。 其通产省还为此专门制定了纳米材料计划，每年预算经费3 5 0 0 万美元，为期7 年，实现官产学联合，旨在为产业界建立集成的纳米科技材料研发平台。在第三 期科学技术基本计划( 2 0 0 7 年一2 0 1 2 年) 中，将纳米科技被列为十大战略性 1 引言 推进领域之一，其研发投入将达3 3 3 1 6 亿日元。 我国对于纳米科技的发展也给予了越来越多的重视。国家中长期科学和技术 发展规划纲要( 2 0 0 6 - - - 2 0 2 0 年) 指出制造微纳机电系统、微纳制造为前沿技术，是 未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力的综合 体现；而把纳米研究列为重大科学研究计划。国家自然科学基金也对微纳流动与 微纳传热研究给予重点资助。 许多微纳机械涉及到流动与传热，比如微反应器，又称作微通道反应器，它 是目前化工领域中的重要突破之一，其基本原理并非改变化学反应方式，而是其 中的高效流动和传热促进了化学反应。 1 1 2 纳米储能系统 纳米泡沫材料具有巨大的体积分数，大约为1 0 0 2 0 0 0m 2 g ，远远大于一般块 体材料( 约0 0 0 1m 2 g ) 。当强制非浸润性功能液体流入纳米泡沫材料中的纳米孔 中时，能量即转化为固液界面间表面能，可构建纳米泡沫储能系统【5 洲。该系统能 够实现热能到电能、机械能到电能的转化，有望应用于低品位热能及各种低品位 振动能量的开发利用。 l i q u i ds u s p e n s i o no f n a n o p o r o u ss i l i c ap a r t i c l e s 图1 2 纳米泡沫储能系统示意图 1 1 3 农业生产 k h o d a k o v s k a y a 等证明碳纳米管( c n t ，c a r b o nn a n o t u b e ) 渗透入番茄种子， 加快其发芽并促进幼苗生长 7 1 。实验结果表明在培养液中含有1 0 - 4 0 1 _ i g m l 的c n t 时，种子发芽速度较快。从图1 3 中可以看出，培养基中加入c n t ，能够加快种 子发芽速度，显著地减少发芽时间。图1 4 显示，培养基中加入c n t ，能够显著 地加快番茄幼苗成长，成倍地增加生物质的生成。这一发现亦可用于能源领域， 重庆大学博士学位论文 例如促进人类获得较多的生物质能。 理论分析显示c n t 能够穿透种子表面较厚的外壳，从而增加了种子对水的吸 收。然而该过程中水的运动过程还不清楚，需要深入的研究。 ( a ) ( b ) c 旦 ； 三 乏 口 葛 寥 s t a n d a r dr o d ! u m m d l u ! w 附 n a n o t u d i 矧1 3 界茄种一r 发芽过羊! t 中的c n t 效应 f i g i 3e f f e c to fc n t so nt o m a t os e e dg e r m i n a t i o n 4 口0u 口一 1 0 一 2 0u 口，州 一4 0 u 口，州 加约伯0 1 引言 ( b ) c8 8 f6 菩 苦2 毫 。0 c o r l g e n t r no fc r 1 o nn - n o t u b e | c o n c e n t r a t i o no fc a r b o nn a n o t u b o s c o n c t n t r a t l o n fc a r b o nn a n o t u b e - ( d ) ( e ) 0u g m l 1 0u g m l 4 0u g m l c o n c e n u a t l o no fr l a l n o t l u l ：) e li ng r o v 岫m e d i u m 0u g m l1 0u g l m l4 0u g m l c o n c e n t r a t l o no fn a l r t o n l b e qi ng r o w t hm e d i u m 图1 4 番茄幼苗成长过程中的c n t 效应 f i g 1 4e f f e c to f c n t so ng r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft o m a t os e e d l i n g s 1 2 纳米流动的研究现状 粘性流动是我们熟悉而且常用的，然而其物理实质确实令人惊讶的敏感和复 杂1 8 。z h u l 9 1 等证明了，当流道表面非常光滑时，流体分子与固壁分子间的作用占 主导作用，而当流道表面有一定的粗糙度时，则壁面结构起主导作用。已经有很 多学者研究了纳米通道内流体的流动。研究结果表明气体分子和壁面分子间的势 能强度1 1 删、壁面的形态【1 1 ；1 5 ；2 1 ；2 拳3 5 - 3 9 1 、温度【1 0 ：1 8 ；2 2 ；2 3 ：3 3 ：舡5 2 1 、外力的大小、微 量杂质等都是重要的影响因素。 1 2 1 表面浸润性的作用 纳米尺度内，连续流体模型假设失败，分子间作用成为具有决定意义的物理 量。不同的分子间作用，在流体与固壁的界面上，对于液体就体现为不同的浸润 性，对于气体则是其液态表现为不同的浸润性。当固壁分子与流体分子相互作用 较强时则为浸润性( 亲水性) ，较弱时则为非浸润性( 疏水性) 。故固壁的表面浸 润性是纳米尺度流动具有研究意义