水流在旋转黑磷纳米管内轴向驱动特性

发布时间：2021-12-16 03:56

　　运用分子动力学方法模拟研究了旋转的黑磷纳米管对管内水流的轴向驱动特性,研究结果表明:手性黑磷纳米管在旋转时会驱动管内水分子沿轴向运动,运动方向由纳米管转向决定;管内水流的流速和驱动力会随着黑磷管转速的提高而增大.采用黑磷双壁Couette模型计算分析了水-黑磷界面的摩擦系数及滑移特性,阐明了黑磷表面天然的各向异性微结构是旋转黑磷管轴向驱动水流的本质原因.构建了在双层黑磷纳米管间填充水分子的模型,发现内外黑磷管同时旋转时,管间水分子的轴向运动会增强.纳米管半径也会对水分子的定向运动产生影响,具体表现为在相同转速下,随着纳米管半径的增大,管内水分子在轴向上的运动速度会减小,而受力则会增大;双壁黑磷纳米管在旋转时管内水分子的轴向运动情况和单壁黑磷纳米管模型差异很小,证明黑磷管层数对水流驱动效果的影响不明显;温度对水流驱动效果的影响规律取决于管内压强和温度对流固界面摩擦系数的耦合作用,当温度低于常温时水分子在轴向上的速度和受力会随着温度的升高而增大,当温度达到常温时则趋于平稳.研究结果可为基于黑磷纳米管的流体传动器件的设计和应用提供理论基础. 

【文章来源】：物理学报. 2020,69(11)北大核心EISCICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

不同手性角度的黑磷纳米管以50 rad/ns的转速顺时针旋转时管内水分子沿轴线方向的(a)速度和(b)受力随时间的变化关系

由图4可以看出,当黑磷纳米管以不同转速进行旋转时,水分子的轴向运动速度和受力会随着转速的上升而增大,并且增大的趋势会逐渐变缓.由此可知黑磷管对水分子的轴向驱动效果会随着黑磷纳米管转速的上升而增强,但增强的趋势随着黑磷纳米管转速的上升而逐渐减弱.图4 手性角度为23.4°时,黑磷纳米管内水分子的轴向速度与受力随纳米管转动速度的变化关系

本文采用分子动力学(MD)方法研究了黑磷纳米管旋转作用下管内水分子轴向运动的特性,利用LAMMPS开源代码完成模拟.首先在正则(NVT)系综下对系统进行弛豫使系统达到稳定状态,弛豫温度为300 K.模拟过程中采用Langevin恒温器使水的温度保持在300 K的恒温.整个模拟过程的时间为4 ns,其中前1 ns用来进行弛豫,当系统达到稳定状态后令黑磷纳米管以一定的转速绕轴线转动,持续时间为3 ns,统计后2 ns的数据用于分析研究.在势函数选择上,采用Stillinger-Weber(SW)势函数[21]描述黑磷原子之间的相互作用,水分子模型选取改进版的四位TIP4P-Ew模型,水分子之间的长程库仑势作用通过particle-particle particle-mesh(PPPM)方法计算.黑磷与水分子相互作用采用Lennard-Jones(LJ)势函数进行描述,作用参数通过Lorentz-Berthelot混合算法计算得出,具体参数见表1[25,26].其中,LJ作用和库仑相互作用的截止距离为12?和10?,并且为了保持水分子的O—H键长和H—O—H键角的稳定性,本文使用SHAKE算法[27].3 模拟结果讨论与分析


本文编号：3537431