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西安交通大学科研人员揭示纳米尺度水流动之谜

5月14日,记者从西安交通大学获悉,该校绿色氢电全国重点实验室白博峰、孙成珍教授团队,关于特征尺度在亚纳米至30纳米间的纳米通道内水的毛细流动特性的研究,全面揭示了毛细流动的尺度依赖性,打破了通道越小、阻力越大、流动越慢的固有认知,其构建的毛细流动模型为纳米流体力学提供了统一的见解,标志着该领域向前迈出了重要一步。该研究成果近日以《亲水纳米通道中异常渗吸与疏水纳米通道中快速流动的相互联系》为题,发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》上。

据悉,该研究为纳米空间受限流体流动特性理论体系的进一步完善、以纳米尺度水分子快速输运和精准调控为基础的膜分离、能源转化等技术的开发与升级奠定了坚实的理论基础。

由于表面效应、小尺寸效应等纳米尺度效应,纳米空间受限水完全有别于宏观体相水,经典流体力学理论通常不再适用。因此,有关纳米空间受限水流动过程的理论描述成为重要的学术难题。受限于实验技术,此前对纳米尺度毛细流动的直接实验研究止步于10纳米。

白博峰、孙成珍教授团队研究发现,纳米受限空间尺度减小将导致水的毛细流动能力低于经典卢卡斯-沃什伯恩(Lucas-Washburn)理论预测,且偏差随尺度降低而显著增加。但当通道特征尺度降低至3纳米时,水的流动发生逆转,表现出反常的流动增强特性,使得理论偏差不升反降。

同时,白博峰、孙成珍教授团队研究发现纳米受限水的结构依赖于受限尺度,会产生两种相反的尺度依赖效应,分别为增加流动阻力的长程粘性增强效应和增加流动动力的短程分离压效应。尺度效应的不匹配使得纳米尺度水的毛细流动表现出特异的非单调尺度依赖性,这种特异尺度依赖性广泛存在于亲水和疏水纳米通道中。

通过引入分离压、对粘度进行尺度修正以及对其他纳米尺度效应(如动态接触角、壁面滑移)建模,白博峰、孙成珍教授团队建立了从纳观到宏观、纳秒到秒的多尺度时空统一的毛细流动理论预测模型,并通过大量分子动力学模拟和文献实验结果进行验证。

纳米尺度水的毛细流动非单调变化及流动理论模型对比。受访者供图

纳米空间受限水的自发毛细流动现象广泛存在于致密油气开采、纳米多孔膜分离、太阳能辅助水蒸发等能源开发、转化与利用的工业过程中,其流动现象的基础理论研究有助于相关工业过程的提质增效与节能减排。白博峰、孙成珍教授团队长期从事纳米空间受限流体研究,在纳米尺度多相流动、传热传质及相变特性等基础研究方面取得了一系列重要研究成果,并将成果应用于高效膜分离技术、致密油藏开采技术及新型能源转化技术的开发中。

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