運用分子動力學方法模擬研究了旋轉的黑磷納米管對管內水流的軸向驅動特性,研究結果表明:手性黑磷納米管在旋轉時會驅動管內水分子沿軸向運動,運動方向由納米管轉向決定;管內水流的流速和驅動力會隨著黑磷管轉速的提高而增大.采用黑磷雙壁Couette模型計算分析了水-黑磷界面的摩擦系數及滑移特性,闡明了黑磷表面天然的各向異性微結構是旋轉黑磷管軸向驅動水流的本質原因.構建了在雙層黑磷納米管間填充水分子的模型,發(fā)現內外黑磷管同時旋轉時,管間水分子的軸向運動會增強.納米管半徑也會對水分子的定向運動產生影響,具體表現為在相同轉速下,隨著納米管半徑的增大,管內水分子在軸向上的運動速度會減小,而受力則會增大;雙壁黑磷納米管在旋轉時管內水分子的軸向運動情況和單壁黑磷納米管模型差異很小,證明黑磷管層數對水流驅動效果的影響不明顯;溫度對水流驅動效果的影響規(guī)律取決于管內壓強和溫度對流固界面摩擦系數的耦合作用,當溫度低于常溫時水分子在軸向上的速度和受力會隨著溫度的升高而增大,當溫度達到常溫時則趨于平穩(wěn).研究結果可為基于黑磷納米管的流體傳動器件的設計和應用提供理論基礎. 

【文章來源】：物理學報. 2020,69(11)北大核心EISCICSCD

【文章頁數】：9 頁

【部分圖文】：

不同手性角度的黑磷納米管以50 rad/ns的轉速順時針旋轉時管內水分子沿軸線方向的(a)速度和(b)受力隨時間的變化關系

由圖4可以看出,當黑磷納米管以不同轉速進行旋轉時,水分子的軸向運動速度和受力會隨著轉速的上升而增大,并且增大的趨勢會逐漸變緩.由此可知黑磷管對水分子的軸向驅動效果會隨著黑磷納米管轉速的上升而增強,但增強的趨勢隨著黑磷納米管轉速的上升而逐漸減弱.圖4 手性角度為23.4°時,黑磷納米管內水分子的軸向速度與受力隨納米管轉動速度的變化關系

本文采用分子動力學(MD)方法研究了黑磷納米管旋轉作用下管內水分子軸向運動的特性,利用LAMMPS開源代碼完成模擬.首先在正則(NVT)系綜下對系統(tǒng)進行弛豫使系統(tǒng)達到穩(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.整個模擬過程的時間為4 ns,其中前1 ns用來進行弛豫,當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后令黑磷納米管以一定的轉速繞軸線轉動,持續(xù)時間為3 ns,統(tǒng)計后2 ns的數據用于分析研究.在勢函數選擇上,采用Stillinger-Weber(SW)勢函數[21]描述黑磷原子之間的相互作用,水分子模型選取改進版的四位TIP4P-Ew模型,水分子之間的長程庫侖勢作用通過particle-particle particle-mesh(PPPM)方法計算.黑磷與水分子相互作用采用Lennard-Jones(LJ)勢函數進行描述,作用參數通過Lorentz-Berthelot混合算法計算得出,具體參數見表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 模擬結果討論與分析


本文編號：3537431