發(fā)布時(shí)間：2021-12-16 03:56

　　運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了旋轉(zhuǎn)的黑磷納米管對(duì)管內(nèi)水流的軸向驅(qū)動(dòng)特性,研究結(jié)果表明:手性黑磷納米管在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)水分子沿軸向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向由納米管轉(zhuǎn)向決定;管內(nèi)水流的流速和驅(qū)動(dòng)力會(huì)隨著黑磷管轉(zhuǎn)速的提高而增大.采用黑磷雙壁Couette模型計(jì)算分析了水-黑磷界面的摩擦系數(shù)及滑移特性,闡明了黑磷表面天然的各向異性微結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)黑磷管軸向驅(qū)動(dòng)水流的本質(zhì)原因.構(gòu)建了在雙層黑磷納米管間填充水分子的模型,發(fā)現(xiàn)內(nèi)外黑磷管同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí),管間水分子的軸向運(yùn)動(dòng)會(huì)增強(qiáng).納米管半徑也會(huì)對(duì)水分子的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,具體表現(xiàn)為在相同轉(zhuǎn)速下,隨著納米管半徑的增大,管內(nèi)水分子在軸向上的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減小,而受力則會(huì)增大;雙壁黑磷納米管在旋轉(zhuǎn)時(shí)管內(nèi)水分子的軸向運(yùn)動(dòng)情況和單壁黑磷納米管模型差異很小,證明黑磷管層數(shù)對(duì)水流驅(qū)動(dòng)效果的影響不明顯;溫度對(duì)水流驅(qū)動(dòng)效果的影響規(guī)律取決于管內(nèi)壓強(qiáng)和溫度對(duì)流固界面摩擦系數(shù)的耦合作用,當(dāng)溫度低于常溫時(shí)水分子在軸向上的速度和受力會(huì)隨著溫度的升高而增大,當(dāng)溫度達(dá)到常溫時(shí)則趨于平穩(wěn).研究結(jié)果可為基于黑磷納米管的流體傳動(dòng)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ). 

【文章來源】：物理學(xué)報(bào). 2020,69(11)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

不同手性角度的黑磷納米管以50 rad/ns的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)管內(nèi)水分子沿軸線方向的(a)速度和(b)受力隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖4可以看出,當(dāng)黑磷納米管以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí),水分子的軸向運(yùn)動(dòng)速度和受力會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大,并且增大的趨勢會(huì)逐漸變緩.由此可知黑磷管對(duì)水分子的軸向驅(qū)動(dòng)效果會(huì)隨著黑磷納米管轉(zhuǎn)速的上升而增強(qiáng),但增強(qiáng)的趨勢隨著黑磷納米管轉(zhuǎn)速的上升而逐漸減弱.圖4 手性角度為23.4°時(shí),黑磷納米管內(nèi)水分子的軸向速度與受力隨納米管轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化關(guān)系

本文采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法研究了黑磷納米管旋轉(zhuǎn)作用下管內(nèi)水分子軸向運(yùn)動(dòng)的特性,利用LAMMPS開源代碼完成模擬.首先在正則(NVT)系綜下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行弛豫使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),弛豫溫度為300 K.模擬過程中采用Langevin恒溫器使水的溫度保持在300 K的恒溫.整個(gè)模擬過程的時(shí)間為4 ns,其中前1 ns用來進(jìn)行弛豫,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后令黑磷納米管以一定的轉(zhuǎn)速繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng),持續(xù)時(shí)間為3 ns,統(tǒng)計(jì)后2 ns的數(shù)據(jù)用于分析研究.在勢函數(shù)選擇上,采用Stillinger-Weber(SW)勢函數(shù)[21]描述黑磷原子之間的相互作用,水分子模型選取改進(jìn)版的四位TIP4P-Ew模型,水分子之間的長程庫侖勢作用通過particle-particle particle-mesh(PPPM)方法計(jì)算.黑磷與水分子相互作用采用Lennard-Jones(LJ)勢函數(shù)進(jìn)行描述,作用參數(shù)通過Lorentz-Berthelot混合算法計(jì)算得出,具體參數(shù)見表1[25,26].其中,LJ作用和庫侖相互作用的截止距離為12?和10?,并且為了保持水分子的O—H鍵長和H—O—H鍵角的穩(wěn)定性,本文使用SHAKE算法[27].3 模擬結(jié)果討論與分析


本文編號(hào)：3537431