納米通道水輸運(yùn)與離子篩選的微觀力學(xué)機(jī)理.pdf

1、納米通道水輸運(yùn)和離子篩選被廣泛應(yīng)用于海水淡化、生物仿生、微納器件制備等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)水輸運(yùn)和離子篩選微觀機(jī)理的研究在物理、化學(xué)、力學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科中具有重要意義。本文圍繞邊界滑移、接觸角滯后和尺寸效應(yīng)三個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)研究了納米通道水輸運(yùn)和離子篩選的微觀力學(xué)機(jī)理。
　　基于分子動(dòng)理論提出了適用于復(fù)雜表面邊界滑移的理論模型。引入等效勢(shì)阱深度的概念用以表征固液作用機(jī)制對(duì)邊界滑移的影響。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了化學(xué)復(fù)雜表面

2、和幾何復(fù)雜表面上的納米流動(dòng)邊界滑移行為。該擴(kuò)展的分子動(dòng)理論滑移模型能夠預(yù)測(cè)大剪應(yīng)力下復(fù)雜壁面上滑移速度的非線性變化，從微觀尺度更直觀地解釋壁面構(gòu)型對(duì)于界面流動(dòng)的影響。
　　基于接觸角滯后機(jī)制分析研究了非平行光滑和鋸齒壁面間液滴的定向輸運(yùn)現(xiàn)象。壁面的重復(fù)張開(kāi)和閉合對(duì)液滴施加連續(xù)的拉伸和擠壓，為液滴輸運(yùn)提供動(dòng)力。不對(duì)稱鋸齒構(gòu)型阻礙了液滴的后退運(yùn)動(dòng)，使得液滴在每個(gè)開(kāi)合周期內(nèi)都能獲得凈位移。借助于鋸齒壁面的“類棘輪效應(yīng)”不但抑制了疏水壁面

3、上液滴遠(yuǎn)離尖端的反向運(yùn)動(dòng)，而且有效地提高了液滴向尖端的輸運(yùn)效率。證實(shí)了接觸線釘扎并不是液滴輸運(yùn)過(guò)程中的必然階段，液滴向尖端的輸運(yùn)可以通過(guò)完整開(kāi)合周期內(nèi)向尖端凈位移的累積實(shí)現(xiàn)。
　　基于螺旋納米線和納米管道的耦合效應(yīng)設(shè)計(jì)形成了納米螺旋泵，并將其用于水的定向輸運(yùn)。通過(guò)對(duì)不同幾何參數(shù)納米螺旋泵內(nèi)水輸運(yùn)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，納米螺旋泵中的水輸運(yùn)存在三種模式:簇狀、偽連續(xù)和線性連續(xù)。研究了葉片轉(zhuǎn)速、葉片潤(rùn)濕性以及螺旋泵管徑等參數(shù)對(duì)于輸運(yùn)機(jī)制的影響

4、。結(jié)果表明，水流率隨螺旋線潤(rùn)濕性的降低而提高。疏水小管徑螺旋泵中由于空間受限所導(dǎo)致的弱氫鍵作用加劇了水分子的非線性輸運(yùn)。
　　將納米螺旋泵擴(kuò)展應(yīng)用到脫鹽領(lǐng)域。通過(guò)縮小葉片螺距創(chuàng)造受限空間，基于尺寸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效離子分離。螺旋泵內(nèi)的水輸運(yùn)機(jī)制可以通過(guò)受限阻力和螺距決定的水輸運(yùn)模式的協(xié)同作用來(lái)解釋?；谠龃舐菪霉軓胶蜏p小螺旋葉片包含的螺距數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水透過(guò)率的有效優(yōu)化。鹽離子的完全過(guò)濾和高水流率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)證明了納米螺旋泵不僅是海水脫