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随着机械系统的微小化,纳通道中受限流体的流变特性成为关键问题之一.文章中阐述了纳尺度中流体流变特性的研究进展,介绍了分子动力学模拟基本原理以及详细的模拟步骤,并对并行计算方法进行了介绍。考虑分子、原子间的作用势。改进了物理模型。在此基础上运用分子动力学模拟方法,讨论了在不同表面电荷密度和纳米通道高度下的流体分布和流变特性。
本文建立了一种两端带有缓冲液池的纳米通道的分子动力学模型,相比于以前的模型,主要改进了以下几个方面,首先,受限通道壁面硅原子始终保持热运动,这与实际情况符合。其次,两端带有缓冲液池,改变表面电荷密度和上壁面向下运动过程中都置换缓冲液池,保持缓冲液池中浓度不变。模型仿真了当纳米通道有热运动时不同表面电荷密度下通道中的水分子和反号离子Na+的分布。结果表明,通道中的带电表面引起双电层(EDL)域内反号离子的富集,随着表面电荷密度的增加,壁面带电硅原子热运动对通道中的水分子和Na+分布的影响不可忽略,导致了吸附峰峰值减小,第一个水合峰峰值增大,Na+波峰分布远离壁面且峰值增大;考虑通道中的上硅板向下移动时EDL域与外界有离子交换后,EDL域中的电中性受到破坏,对外显示电性取决于表面电荷的特性,以前模型中的电中性假设有待商榷:由于尺度效应,随着通道高度减小,通道中水的密度小于常态下的值.
采用分子动力学模拟方法,建立了更加符合工程实际应用的“Bulk-Nanochannel-Bulk”纳米通道模型,进一步研究了纳尺度流体的水合半径以及受限区域的粘度。结果表明,Na+的水合半径随着纳通道高度的增加而减小。随着表面电荷密度的增加,水合半径减小,特别是当表面电荷密度为-0.28c/m2时,受限情况的Na+的水合半径小于体态的结果;流体粘度将受纳米通道中的表面电荷的影响,当表面电荷密度增大时,流体的粘度增大。随着纳米通道高度越来越小,特别是小于1.0nm,由于水分子被限制在狭窄的纳米通道中,分子的运动更加激烈从而引起了粘度增大。