纳米尺度的水通道

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小尺度流体力学微流体和纳米流体的研究现状

小尺度流体力学微流体和纳米流体的研究现状

小尺度流体力学微流体和纳米流体的研究现状小尺度流体力学是研究微观尺度流体行为的学科领域,主要关注微尺度下的流体运动、传热和质量传递等问题。

而微流体和纳米流体则是小尺度流体力学领域的两个重要分支,它们在生物医学、能源、环境等领域中有着广泛的应用。

本文将对微流体和纳米流体的研究现状进行综述。

一、微流体的研究现状微流体是指在微观尺度下流体的行为和性质,常用于研究微小通道中的流动、混合和反应等。

近年来,微流体领域的研究发展迅速,涉及到许多重要的技术和应用。

1.1 微流体的制备技术为了实现微流体的制备和控制,研究人员开发了各种微流体制备技术。

其中,微流控芯片是一种常见的制备工具,通过对微通道的设计和制备,可以实现对流体的精确调节和操控。

此外,还有基于纳米材料制备的微流体系统,如纳米孔阵列、纳米管道等,这些技术为微流体研究提供了更多的选择和可能性。

1.2 微流体的应用领域微流体技术在许多领域中都有着广泛的应用。

在生物医学领域,微流体技术可以用于细胞培养、药物筛选、基因测序等方面;在化学分析领域,微流体技术可以实现对微量样品的快速分析和检测;在环境监测领域,微流体技术可以用于水污染监测、大气分析等方面。

此外,微流体技术还在能源、材料科学等领域得到了广泛应用。

二、纳米流体的研究现状纳米流体是指纳米颗粒或纳米结构相互作用下的流体行为,它的研究对于传统流体力学的发展具有重要意义。

纳米流体的研究充满了挑战,但也带来了许多新的机遇。

2.1 液体纳米流体液体纳米流体是指纳米颗粒悬浮在液体介质中的流体体系。

研究人员通过调控纳米颗粒的浓度、尺寸和形状等因素,成功实现了对液体纳米流体的调控和控制。

在此基础上,液体纳米流体被广泛应用于催化、能源存储等领域。

2.2 气体纳米流体气体纳米流体是指纳米尺度下气体的流动行为,研究气体纳米流体对于理解纳米尺度下气体的传输和输运行为具有重要意义。

目前,研究人员通过模拟和实验等手段,对气体纳米流体的性质和行为进行了深入研究,并在气体分离、气体传感等方面取得了一定的进展。

微通道反应器简介

微通道反应器简介

存档日期:存档编号:北京化工大学研究生课程论文课程名称:化学反应器理论课程代号:ChE540任课教师:文利雄完成日期:2013 年04 月13 日专业:化学工程与技术学号:姓名:成绩:摘要近年来,微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。

微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道,因此,微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础,对其进行系统深入的研究具有重要意义。

本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点,讲述了微通道反应器的发展历程,详细介绍了微通道反应器的分类及结构,重点讲述微通道反应器的流体力学性能,接着介绍了微通道反应器所使用的体系,最后介绍了目前微通道反应器的工业应用实例。

关键词:微通道反应器AbstractIn recent years, micro-chemical technology has become a new developing direction and research focus for chemical engineering. Microchannels with diameter ranging from nanometer to micron are main sections of the micro-chemical equipments, therefore, the characteristics of fluid flow and mass and heat transfer in microchannels are of key importance for the design and application of micro-chemical processes.The article firstly summarizes the basic conception and major advantages of Microchannel Reactor, as well as its development history. Meanwhile, it introduces the classification and structure of Microchannel Reactor in deatails, which forcusing on its hydrodynamics performance. Then the text explains the system that applied to Microchannel Reactor. And lastly, it describes the application examples of Microchannel Reactor in industry.Keywords:Microchannel Reactor前言20世纪90年代初,可持续与高新技术发展的需要促进了微化工技术的研究,其主要研究对象为特征尺度在微米级的微通道,由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高,即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。

纳米过滤器的原理和作用

纳米过滤器的原理和作用

纳米过滤器的原理和作用纳米过滤器是一种用于分离纳米级颗粒物或分孔纳米级通道的滤筛设备。

它通过纳米尺度的筛孔来筛选并分离液体或气体中的微小颗粒。

纳米过滤器在许多领域中具有重要的应用,如水处理、空气过滤、生物医学、材料科学等。

纳米过滤器的工作原理主要基于筛网滤除颗粒物的机制和纳米孔道的选择性分离效应。

当液体或气体通过纳米过滤器时,颗粒物的大小超过纳米孔道的尺寸,会被筛网滤除,而溶剂或小分子则可以通过纳米孔道。

这种分离过程依赖于粒径选择性过滤的能力,即纳米过滤器可以根据颗粒物的尺寸来筛选。

纳米过滤器一般由多层滤膜组成。

这些滤膜可以使用不同的材料制备,如聚合物、陶瓷、金属等。

其中,重要的是滤膜的孔径大小和形状。

通常,纳米过滤器的滤膜具有一系列的孔径,从几纳米到几十纳米不等。

这种多孔径结构可以根据需要来选择颗粒物的大小范围,以实现更精确的分离效果。

纳米过滤器的应用非常广泛。

首先,它在水处理中可以用于去除微小颗粒和胶体。

由于纳米过滤器的孔径远小于水分子的大小,因此可以有效地分离水中的颗粒物、有机物和重金属等污染物。

这种高效的过滤作用使得纳米过滤器在饮用水净化、海水淡化和废水处理等方面有重要的应用前景。

其次,纳米过滤器在空气过滤中也发挥着重要作用。

空气中的颗粒物如可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)会对人体健康产生负面影响。

纳米过滤器可以筛选和去除这些细小颗粒物,提高室内空气质量。

这对于净化车内空气、室内空气净化器和空调系统等应用非常重要。

此外,纳米过滤器在生物医学领域也具有重要意义。

例如,纳米过滤器可以用于分离和纯化生物分子或细胞,如DNA、蛋白质、病毒和细菌等。

通过调整纳米过滤器的孔径和滤膜材料,可以实现高效的生物分离和富集,有助于医学诊断、生物制药和生物学研究等领域的发展。

此外,纳米过滤器在材料科学领域也具有广泛的应用。

纳米过滤器可以用于制备纳米级孔道材料,这些材料具有特殊的结构和性能,可用于分离、储存和传输气体或液体。

项目名称微纳尺度相界面作用机理及调控方法

项目名称微纳尺度相界面作用机理及调控方法

项目名称:微纳尺度相界面作用机理及调控方法提名者:中华人民共和国教育部提名意见:我单位认真审阅了该项目推荐书及其附件材料,确认全部材料真实有效,相关材料均符合国家科学技术奖励办公室的填写要求。

微能源系统挑战性难题是界面效应和通道尺寸效应的耦合机理,本项目围绕该关键科学问题开展了原创研究,在微能源相界面理论、测量及调控方面取得了重要进展,发现了边界条件绝对性和相对性,建立了热边界层再发展强化传热并减小阻力新原理;发现微通道沸腾传热角部核化、气泡爆炸、三区传热,提出沸腾数表征界面效应和通道尺寸效应影响沸腾传热的相对重要性;创造种子气泡传热原理和方法。

已获教育部自然科学一等奖。

8篇代表性论文他引796次,其中SCI他引480次,来自40个国家和地区的他引作者(含诺贝尔奖获得者1人、国内外院士15人等)正面评价项目成果,并被40余本国内外专著正面引用。

徐进良连续四年入选Elsevier中国高被引科学家,担任Energies等国际期刊编委;担任第四届微纳流动会议(英国,2014)、国际传热与热力学循环会议(英国,2016)大会主席之一,是唯一来自中国的学者,主持了CO2动力循环国际会议(北京,2018)、国际传热研讨会(北京,2014)及微能源国际研讨会(三亚,2005),在国内外会议上作特邀报告30次,提升了我国学者在微能源方面的影响力。

成果已应用于指导工程设计,部分成果用于小卫星微推力系统的研究,推动了多相流与微尺度热物理学科的发展,培养了活跃在国际学术前沿的研究队伍。

对照国家自然科学奖授奖条件,推荐该项目申报2019年国家自然科学二等奖。

项目简介本项目属多相流动学及微尺度热物理学领域。

航空航天及电子信息等高新技术快速发展,催生微能源系统新型学科。

微能源系统指能量转换及传递发生在微小空间,实现电能生产、动力供给等功能的系统。

相变型(沸腾、冷凝)微系统中固液、气液界面效应和通道尺寸效应耦合强烈,界面厚度为亚微米或纳米,通道尺寸为亚毫米、微米或纳米。

流体的纳米结构和流动性质

流体的纳米结构和流动性质

流体的纳米结构和流动性质流体是我们日常生活中经常接触到的一种物质状态。

它具有流动性,可以通过施加外力改变形状和位置。

在纳米科技的发展中,人们开始关注流体在纳米尺度下的结构和流动性质。

本文将介绍流体的纳米结构和流动性质,并探讨纳米结构对流体性能的影响。

一、流体的纳米结构纳米结构指的是在纳米尺度下的结构特征和组织方式。

流体的纳米结构主要包括两个方面:一是流体分子的有序排列,二是纳米级别下的流体内部构造。

1. 流体分子的有序排列在纳米尺度下,流体分子的排列呈现出一定的有序性。

这种有序排列可能是由于流体分子之间的相互作用力的影响。

例如,研究发现在纳米通道中的水分子在一定程度上会排列成有序的水链结构。

这种有序排列对流体的传输性能和流动性质有着重要的影响。

2. 纳米级别下的流体内部构造流体在纳米尺度下具有丰富的内部构造。

由于流体分子之间的相互作用力,流体分子可以组成不同的结构,如胶体、乳胶等。

这些结构的形成与纳米级别下的分子间相互作用力密切相关。

通过调控流体的纳米结构,可以实现对流体性能的调节和控制。

二、流体的纳米流动性质流动性质是衡量流体流动特性的属性。

在纳米尺度下,流体的流动性质与常规尺度下的流动性质存在巨大的差异。

主要表现在以下几个方面:1. 纳米尺度下的黏滞性流体的黏滞性是指流体分子间相对运动的阻力。

在纳米尺度下,流体的黏滞性会显著增加。

这是由于流体分子在纳米通道中受到约束而发生的。

纳米通道的尺寸越小,流体分子受到的约束越大,从而导致黏滞性的增加。

2. 纳米尺度下的表面效应流体在纳米尺度下会出现明显的表面效应。

由于流体与固体表面相互作用力的影响,在纳米通道中流体分子的运动受到表面限制。

这种表面限制会导致流体的流动模式发生变化,表现出与常规尺度下不同的性质。

3. 纳米尺度下的封堵效应在纳米通道中,流体分子可能会发生封堵现象。

这是由于流体分子在纳米通道中受到的约束作用,从而导致流体分子堵塞在通道中无法流动。

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究佚名【摘要】采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现:壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)023【总页数】11页(P159-169)【关键词】纳米尺度;气泡核化;浸润性;界面效应【正文语种】中文1 引言随着微纳米技术在不同领域中的广泛应用,微纳设备中因高热流密度的产生而导致各种微纳器件的热管理问题成为亟待解决的核心难题.工质核化相变原理因具有高效换热特性,而作为一种理想方案被应用于微纳制造领域[1−3].利用相变原理进行换热将导致气泡产生及两相流的形成.因此,对微纳尺度下流体的相变诱导气泡形核生长及脱离等现象的研究成为传热传质领域一项具有挑战性的研究课题.深入研究其物理机制并优化微系统内部的热质传递过程,是节约资源和提高能源利用效率的重要手段.众所周知,纳米尺度下固-液界面效应对于微纳系统传热传质及工质相变现象具有显著影响.已有研究[4−6]发现,在微米通道的单相流动中,壁面浸润性影响固-液界面结构及流体原子与固体原子的黏附情况,进而影响界面能量与动量的传递.同时,界面效应也会对纳米尺度相变过程产生影响.因此,有必要对微纳设备中涉及的异质核化的机理及影响因素进行深入的分析与探讨.壁面浸润性对于异质核化具有重要的影响,根据经典核化理论,表面沸腾中液体在光滑固体加热表面上形成气泡所需的活化能与过热度及表面接触角有关.当壁面接触角越大时,气泡核化所需的活化能越少,发生沸腾的极限过热度越低.此结论已被大量实验数据及理论分析证实.Bourdon等[7]通过实验研究固体表面浸润性对池沸腾起始核化点的影响规律,发现起始核化过热度随表面接触角的增大呈单调递减趋势.Jo 等[8]认为在低热流密度区域,虽然疏水壁面更加有利于核化的发生,但是临界热流密度(CHF)却很低.此外,异质浸润性壁面与均质浸润性壁面相比,更有利于核化沸腾.Quan等[9]对固壁上异质核化沸腾进行理论分析,发现当近壁区液体存在温度梯度时,在异质核化的初始核化阶段,其临界核化半径随着接触角的增大而减小,可以促进气泡核化.Xu和Qian[10]采用范德瓦耳斯理论分析单气泡异质成核过程,得到与之类似的结论:当壁面为均质浸润性时,增大接触角或者过热度将促使气泡在加热壁面处膨胀扩展,增大气泡脱离直径,易于产生膜态沸腾.在常规尺度范围,传热传质以连续介质力学为理论依据,而微观尺度则以纳米级微观粒子理论作为依据,界面特性影响尤为突出,使得微纳相变过程明显区别于常规尺度.目前,已有学者对微纳尺度的相变传热问题展开研究.由于尺寸限制,在纳米尺度下开展实验研究存在很大的困难,而分子动力学方法直接面向原子层面,是研究原子尺度物理现象的有效手段.在均质核化方面,Kinjo和Matsumoto[11]采用分子动力学方法研究负压情况下的气泡空化过程,发现核化速率比经典核化理论预测值大8个数量级.Kimura和Maruyama[12]研究平板上的异质核化规律,模拟结果与经典核化理论预测的一致.Kinjo等[13]采用分子动力学方法研究受限微通道内流体的核化过程,发现壁面浸润性导致流体出现3种不同的核化过程,即弱吸附力壁面处的气膜形成过程、中等吸附力通道内的异质核化过程以及强吸附力通道内的均质核化过程.Mao和Zhang[14]模拟气泡均质成核过程,结果显示气泡生长规律与用RaleighPlesset方程预测的结果不一致.研究发现采用经典核化理论预测的极限过热度、临界核化半径、核化速率及气泡生长速率等数据与纳米尺度下获取到的实验结果相比,在某些情况下会相差很大的数量级[15].目前学术界对于该问题产生的深层原因仍然没有统一的定论.在异质核化方面,Nagayama等[16]认为气泡核化位置受壁面浸润性影响,在亲水性微通道内发生均质核化,气泡在主流液体区域产生;在疏水性微通道内发生异质核化,气泡在固体壁面处产生;此外,对于超疏水壁面,则不会在壁面处产生气泡,而是在固-液之间形成一层气膜.Bai和Li[17]研究发现对于浸润性较强的壁面,近壁区中能量较高的分子向主流液体区的运动受到限制,能量传递效率较低,从而导致界面接触热阻增大,固体界面温差也大幅增加,因此不利于核化发生.Novak等[18]通过模拟流体氩在固体壁面处的异质核化过程,发现气泡在浸润性弱的壁面处发生异质核化的时间有所减少,其原因是随着固-液相互作用增强,流体在近壁区呈类固体的形式排列,从而导致气泡在类固体排列流体区域上产生.Carey和Wemhof f[19]修正了Redlich-Kwong流体状态方程,用于预测受固壁影响的近壁区流体物性.近壁区流体由于受固壁的作用,导致该区域内的流体压力增高,流体发生核化所需的临界过热度显著提高.因此,距离固体壁面有一定距离的液体反而先达到核化条件开始沸腾,进而发生均质核化.然而也有部分文献研究得出相反的结果,Hens等[20]认为在非浸润壁面上气泡难以形成,亲水性壁面为气泡核化提供有利场所并促进了气膜的形成.Yamamoto和Matsumoto[21]推断固-液相互作用影响界面能量传递,从而调控沸腾核化行为.当壁面浸润性越强时,流体吸收的能量越多,因而更加易于核化的发生.综上所述,微纳尺度界面效应影响突出,使得微纳相变具有显著区别于常规尺度的行为特点.尽管对于纳米尺度下核化相变的研究已经取得了一定成果,但是目前的研究手段多数都是在初始时刻给定系统一个过饱和状态,最终达到一个稳定型态,整个研究过程类似等温系统中的空化反应,对于由壁面传热产生热纳米气泡的核化生长过程,仍然缺乏完整深入的研究,未能全面揭示固-液界面效应在沸腾相变过程中所起的作用.此外,不同学者对壁面浸润性与气泡核化之间的内在联系经常会持有相反的意见.因此,关于壁面浸润性对液体核化沸腾的影响还有待进一步验证分析.本文利用分子动力学方法模拟了纳米尺度下液体在不同浸润性壁面发生异质核化沸腾的完整过程,并着重分析探讨了固体壁面浸润性对气泡核化生长的作用机制.分析两者之间的关系,有助于加强对纳米尺度下气泡核化机理的理解,同时能为实际应用提供可靠的理论支撑.本模拟采用开源分子动力学模拟软件LAMMPS实现,原子位型实现可视化采用VMD软件.2 物理模型及模拟细节图1为模拟系统分别在初始、核化以及终了状态的分子模型xz平面分布图,y方向与xz平面垂直.本文模拟的是二维气泡的核化过程,模拟体系尺寸为Lx× Ly×Lz=172.9σ×5.76σ×461.2σ(σ为流体氩原子之间的尺寸参数),x和z方向的尺度显著大于y方向.系统沿着x,y方向均采用周期性边界条件,z方向为固定边界条件.固体壁面原子按照面心立方(FCC)晶格排列,晶格常数为1.15σ,其(100)晶面与流体原子接触,共有29100个固体原子.壁面厚度d=4.61σ,纳米凹槽的深度h=17.29σ,宽度w=18.45σ.固体壁面最外两层原子固定不动,作为边界壁来维持系统的稳定.对其余固体原子施加弹簧力作用,使其在初始位置附近振动,本文中采用的弹簧系数为3249.1ε·σ−2(ε为流体氩原子之间的能量参数).沿着z方向,流体氩原子分为两部分被置于固壁间,在上下侧液膜之间有一段真空区域.靠近下壁面流体液膜的厚度为115.29σ,上侧液膜厚度为11.52σ.初始氩原子按照FCC晶格排列方式布置,晶格常数为1.72σ,共有95035个流体原子.图1 模拟系统在(a)初始、(b)核化和(c)终了状态的分子模型x-z平面图Fig.1 .Molecular distribution in x-z plan of system atthe(a)beginning,(b)nucleation,and(c)f i nal period.流体氩原子之间的相互作用采用Lennard-Jones(L-J)势能模型,表达式为式中r为原子间的距离;流体氩原子之间的尺寸参数σ=0.3405 nm,能量参数ε=1.67×10−21J;原子质量m=6.69×10−23g.固体原子之间的相互作用也采用L-J 势能模型,σs=0.2475 nm,εs=8.35× 10−20J.固-液之间的势能作用通过对L-J势能模型进行修正[22]:式中由Lorentz-Berthelot守则得到能量参数εsl=尺寸参数σsl=(σs+ σl)/2, 下标s表示固体,l表示流体.调节能量系数α与尺寸系数β的值可以得到不同的浸润性.本文算例参数设置分别为α=0.14,β=0.6,0.7,0.8,0.9,1.0及α=0.2,β=1.0,在模拟过程中势能截断半径为3.5σ.超过此距离的原子,其相互作用忽略不计.采用Velocity-Verlet算法求解运动方程,时间步长取为0.0023τ,其中为特征时间,m为质量.在模拟过程中首先对整个系统采用正则系综(NVT),维持其温度为恒定值kB为玻尔兹曼常数,运行100万步,使系统达到平衡后撤掉系统整体温度热浴,仅对壁面施加温度控制,将下壁面温度升高到上壁面温度降低至流体原子采用微正则系综(NVE).根据固-液壁面浸润性,算例运行时间在40—600万步范围内,观察流体的核化轨迹.本文为了直观展示流体被壁面加热发生核化的过程,忽略了控制初始温度阶段的时间步统计,直接从加热阶段开始记录时间.在本文中,为了观察气泡在核化过程中的密度以及温度变化,将流体核化区域沿着z 方向划分为n层,第k个切片层(1 6 k 6 n)在第JStart到第JEnd内时间段内的无量纲粒子密度为式中Nk为第k层的液体原子数目;z为各液体分层的厚度;A为液体计算区域在xy 平面的面积,A=Lx×Ly.第k个切片层(16 k 6 n)在第JStart到第JEnd内时间段内的温度为式中α代表x,y和z三个方向;为粒子沿着α方向的热运动速度.根据原子携带的能量和其具有的速度可获得通过流体的热流密度,热流密度的微观表达采用(5)式计算:式中V为系统的容积;N为流体原子数目;ei为每个原子的能量,包括动能和势能的总和;Fij为第i个原子受到来自与第j个原子之间的相互作用力;vi为第i个原子的速度;rij为第i个原子与第j个原子之间的距离.3 结果与讨论通过调节固-液势能参数来改变壁面浸润性,图2表示两个粒子间的无量纲势能与相互作用力随无量纲距离的变化关系,Φ为势能,F为相互作用力.图2(a)中势阱深度反映固体原子对流体原子的束缚强度,势阱越深流体原子越不容易挣脱固体原子的束缚.当吸收的热量不足以克服势能壁垒的限制时,流体原子将在其平衡位置附近振动,呈现出类固体排列方式.图2(b)中无量纲力为正值时,固-液原子之间相互排斥;无量纲力为负值时,固-液原子之间相互吸引.由图2可见,当α一定时,β越小,固-液之间的作用力越弱,壁面浸润性更趋向于疏水性;当β一定,α越大,固-液之间的作用力越强,壁面浸润性越趋向于亲水性.上述结论与文献[22]的模拟结果一致.本文研究对比不同浸润性壁面处气泡的核化生长过程,可以用纯物质T-ρ相图分布中的状态点来观察液体氩的核化状态.从气泡核化过程可知,气泡核化位置沿着z方向主要分布在0—90σ之间.因而,将此空间范围设置为成核区域,统计该区域内流体的平均数密度和温度.每1000步输出一次模拟结果.由图3得知,成核区域的原子数密度随着流体温度的升高逐渐减小,从初始气液饱和态逐渐过渡到稳定过热态,表明本文的成核条件符合核化动力学规律.此外,需要统计远离液体核化区域的蒸汽相空间内的温度与压力,以便确定沸腾发生的状态.监测沿着z方向250σ—300σ气相区域内的温度与压力,发现气相温度一直维持在左右,压力为其相应的饱和压力0.007654εσ−3.因此,本文着重研究过饱和沸腾.图2 两个粒子间的无量纲(a)势能与(b)相互作用力随无量纲距离的变化关系Fig.2 .Dimensionless(a)potential energy and(b)interaction force depends on the distance between two particles.图3 核化区域热力学状态点及饱和线与包络线相分布图Fig.3 .Thermodynamic state point and phase diagram with coexistence curve and spinodal curve in nucleation region.3.1 气泡核化过程图4 不同壁面浸润性下异质核化过程(a)α=0.14,β=0.6;(b)α=0.14,β=0.7;(c)α=0.14,β=0.8;(d)α=0.14,β=0.9;(e)α=0.1 4,β=1.0;(f)α=0.20,β=1.0Fig.4 .Heterogeneous nucleati on process with dif f erent wallwettability:(a)α=0.14,β=0.6;(b)α=0.14,β=0.7;(c)α=0.14,β=0.8;(d)α=0.14,β=0.9;(e)α=0.14,β=1.0;(f)α=0.20,β=1.0.图4(a)—(f)表示气泡在不同浸润性壁面处发生异质核化的过程.由图可见,给壁面加热一段时间后,气泡胚核首先在凹槽内部形成,其体积随着壁面传热量的增多而增大.当气泡足够大露出穴面后,开始向两个方向生长,一方面向上膨胀,气泡高度增大;另一方面气泡向侧面铺展扩张,三相接触线逐渐向外延伸.由于沿着x,y方向为周期性边界条件,当气泡生长到一定程度会引起边界聚合,在壁面处形成气膜,推动液膜向上运动.由图4可知,随着α与β的增大,固-液相互作用增强,达到气泡初始核化所需过热度的时间缩短,即核化等待时间减少.当固-液势能参数为α=0.14,β=0.6时,固-液相互作用最弱,气泡发生核化的等待时间约为7360τ;固-液势能参数取α=0.2,β=1.0时,壁面浸润性最强,核化等待时间仅276τ.根据图3不同浸润性壁面处核化区域过热状态的演化规律,体系进入包络线区域的快慢程度有所差异,即核化等待时间不同.当势能参数为α=0.14,β=0.6时,状态曲线在亚稳态过热区紧贴饱和线缓慢上升后才进入稳态过热区;当势能参数为α=0.14,β=1.0时,则迅速进入稳态过热区域,气泡发生核化更快.图5给出不同研究结果中气泡约化核化时间随壁面浸润性的变化关系,CA表示接触角.气泡核化时间包括核化等待时间与气泡生长时间.由于不同尺度下,气泡核化时间的数量级存在很大的差别,本文为方便比较不同尺度下气泡核化时间随壁面浸润性的变化趋势,均采用约化比值.Phan等[23]与Gong和Cheng[24]的研究结果分别以接触角为43.8o与28.1o时的气泡核化时间为参考值,对气泡核化时间进行约化.本文的模拟结果则将势能参数为α=0.14,β=0.6的气泡核化时间作为参考值,约化核化时间取为1.Phan等[23]采用实验方法研究水在100 mm×5 mm纳米涂层壁面上的沸腾核化,发现随着壁面浸润性的增强,气泡脱离直径增大,核化时间增长,而气泡脱离频率却降低.Gong和Cheng[24]使用格子玻尔兹曼方法探究介观尺度下固体表面浸润性对液体饱和沸腾传热特性的影响机制.综上可知,在常规尺度范围,壁面接触角越大,即壁面浸润性越弱,气泡核化时间越短,越容易核化.在纳米尺度下,α与β值越大,壁面浸润性越强,核化等待时间与气泡生长时间均缩短,核化周期减小,反而更有利于核化发生.这是由于尺度效应的存在,导致核化规律在不同尺度下呈现出截然相反的变化趋势.图5 气泡约化核化时间与壁面浸润性的关系Fig.5 .Relationship between reduced nucleation time and wall wettability.图6 流体沿着z方向的密度分布图 (a)势能参数为α=0.14,β=1.0;(b)势能参数为α=0.14,β=0.6Fig.6 .Density prof i le of argon along zcoordinate:(a)Potential energy parameters is α =0.14,β =1.0;(b)potential energy parameters is α =0.14,β =0.6.在统计流体密度分布时,将整个系统内流体区域沿着z方向均匀划分层,每层的高度是2.3σ.图6表示不同浸润条件下流体沿z方向的密度分布随加热时间的变化趋势.图中红色虚线表示固-液界面位置.不同浸润条件下,其流体数密度分布规律类似.在初始时刻,液体区域的密度ρσ3维持在0.78附近.随着加热时间增加,气泡胚核在近壁区核化生长,核化区域的流体数密度逐渐减小.直到气泡消失,在壁面处形成气膜且液体层脱离壁面后,靠近高温壁面处的流体数密度接近气相密度.对比图6(a)与图6(b)流体数密度变化规律,可以看出壁面浸润性越强,核化区域靠近密度减小越快,反映出气泡核化生长速率随壁面浸润性的增强而增大.为了对比不同浸润条件下的核化状态,选取同一个时刻的流体数密度分布.图7表示时间为690τ时流体沿着z方向的数密度分布.结合上述核化过程原子位型图,近壁核化区域的流体有3种状态,即过热液体态、气泡核化态、过热气体态.势能参数为α=0.14,β=0.6时核化区域流体氩的数密度最大.保持α=0.14不变,增大β值,当β=0.7和0.8时,紧贴壁面处流体数密度有轻微的减小,几乎维持不变;当β=0.9时,近壁处流体数密度呈大幅度下降趋势,由图4可知,此时气泡胚核露出穴面;当固-液势能参数为α=0.2,β=1.0时,流体的密度已经接近气相的密度值,液膜脱离壁面,在壁面附近形成气膜.综上所述,在浸润性强的壁面处液体核化时间短,气泡核化速率快,气泡胚核体积更大.因此,浸润性强的表面更有利于气泡成核.图7 时间为690τ时氩流体沿着z方向的数密度分布Fig.7 .Number density profi le of argon along z coordinate at 690τ.3.2 气泡生长规律通过计算核化气泡的等效半径来定量分析壁面浸润性对气泡核化生长的作用.由于本文模拟的是二维气泡,因此气泡体积相当于在xz平面上的面积,为了计算气核的等效半径,将液氩核化区域在xz平面内划分成二维小网格,每个网格的尺寸为2σ×2σ,每100步统计一次网格内的流体原子数密度.将液体数密度与蒸汽数密度之和的1/2作为判断网格是气态还是液态的阈值[25].当网格内的无量纲原子数密度小于0.39时,将此网格标记为气态;当网格内的无量纲原子数密度大于0.39时,则认为此网格为液体.然后将核化区域内所有气态网格叠加起来得到气泡的二维面积S∗,计算气泡的等效半径[26]:图8表示气泡等效半径随加热时间的变化关系.由图8可见,不同浸润性壁面处的气泡生长规律类似,在初始加热阶段,液体没有发生核化,气泡的等效半径为0;当流体吸收的热量聚集到一定程度时,近热壁区发生核化,气泡等效半径开始增大.从图8可以看出,当气泡核化进入稳定生长阶段,气泡等效半径几乎遵循线性增长规律,此过程中气泡等效半径的生长速率随着壁面浸润性的增强而显著提升,势能参数为α=0.20,β=1.0时的气泡等效半径约等于势能参数为α=0.14,β=0.6的3.27倍.值得注意的是,本文将气膜在壁面处形成的时间记录为气泡停止生长的时间,即气泡等效半径变化曲线的统计结束时间.由图8可知,图中每条曲线终止时刻的气泡等效半径值有所差异,其随着壁面浸润性的增强反而减小.结合图4(e)—(f)分析其原因:一方面是壁面浸润性越强,气泡胚核不止在凹槽产生,还会在平壁面处形成,进而多个气核迅速聚合形成气膜;另一方面,流体原子在浸润性强的壁面形成气泡后,蒸汽与固壁间的液体膜更容易蒸发相变,三相接触线沿着x方向迁移,气泡铺展直径增大.当壁面浸润性弱时,气泡反而更倾向于向上生长.因此,浸润性越强的壁面在液膜脱离壁面时气泡的体积与等效半径越小.图8 气泡等效半径随加热时间的变化关系Fig.8 .Relationship between bubble equivalent radius and heating time.3.3 核化传热机理为研究壁面浸润性对气泡核化生长的作用机理,需要从固-液能量传递方面来进行分析.图9表示靠近壁面处的流体沿着z方向的温度分布随时间的变化关系.热量通过固-液界面扩散到流体区域,近壁区的液温先升高,在液体区域形成温度梯度,直至流体内部的温度呈现线性分布.当固-液势能参数为α=0.14,β=1.0时,近壁区流体温度几乎在920τ就达到线性分布,固-液界面温度约为,固-液温度阶跃约为. 而固-液势能参数为α=0.14,β=0.6时,其需要约2760τ才达到线性分布,此时,固-液界面处的流体温度值约为,固-液温度阶跃约为. 据此推断,界面热阻随固-液势能作用的减弱而增大,导致通过固-液界面传递热量的效率降低,进而使得流体温度升高达到线性分布的时间越来越长,对气泡的核化生长时间产生了显著影响.需要说明的是,图9中在−20σ—0范围内流体温度随加热的进行出现减小现象,这是由于此范围为凹槽中的液体原子核化变为气体,粒子数大量减少,造成统计误差.根据核化动力学,当活化分子团能量积累到临界活化能后,才能形成稳定的气泡并开始生长.由图9可知,浸润性强的壁面传热效率高,流体温度快速升高,明显高于浸润性弱的情形,使得核化区域液体能量迅速累积达到临界活化能,满足核化条件.而且气泡在生长过程中周围过热液体温度越高,越容易蒸发相变.该结论也可从核化区域流体总势能变化规律得到验证.图10表示核化区域流体总势能随加热时间的变化规律.值得注意的是,图中势能值为负值.初始加热阶段,气泡尚未形成稳定的胚核,液体原子仍紧贴壁面.当势能参数为α=0.2,β=1.0时,固-液作用最强,核化区域的流体总势能值最小.与之相反,当势能参数为α=0.14,β=0.7时,其总势能值最大.随着加热进行,前者的势能值显著增大,反而高于后者,促进了气泡的核化生长.此外,壁面势能参数α与β越大,能垒越深,固-液相互作用越强,液体原子越难挣脱固体壁面束缚,导致气泡胚核的初始核化位置随浸润性变化而有所差异.如图4所示,气泡胚核在纳米凹槽内初始形成阶段,壁面浸润性越弱,越趋于在壁面处形成;而浸润性越强,则气核在偏离固体壁面的液体中央形成.在气泡生长后期,贴近壁面处的液膜受热蒸发.对于浸润性强的壁面,其热阻小,近壁面处液膜温度高,液体更容易相变成气体.综上所述,尽管能垒越深,紧贴壁面的液体原子越难以挣脱束缚,但是近壁区流体吸收能量增多,明显利于形成气泡胚核,只是紧贴壁面的流体原子受到固体壁面的束缚程度不同,导致初始形核位置有所差异.图9 核化区域氩流体沿着z方向的温度分布 (a)势能参数为α=0.14,β=1.0;(b)势能参数为α=0.14,β=0.6Fig.9 .Temperature prof i le of argon along zcoordinate in nuclear boiling region:(a)Potential energy parameters is α =0.14,β=1.0;(b)poten tial energy parameters is α =0.14,β =0.6.为进一步探究核化过程中热量传递的规律,图11给出气泡核化区域流体的温度随时间的变化规律.由图可知,壁面浸润性越强,通过界面传递的热量越多,流体温度升高越快.在气泡核化等待阶段,底板传递的热量直接加热近壁区液体,便于能量聚集使其发生核化.当液体发生核化,气泡生长到一定程度,部分底板与气体直接接触,气固直接传热效率较低,气泡生长核化的热量主要来源于周围高温液体.如图11温度曲线所示,当核化区域流体温度上升到一定程度开始下降,这是由于底板传给液体的热量不足以弥补气泡边界液体蒸发相变及气泡体积膨胀所需能量,核化区域温度反而降低.当势能参数为α=0.2,β=1.0时,核化区域温度几乎没有下降过程,在1023τ时刻温度又以不同速率迅速升高;而α=0.14,β=1.0,0.9,0.8,0.7时则分别在。

微通道

微通道

微通道内液-液两相流流型引言对于常规尺寸的管道,液-液两相的流动形式主要为湍流;但是对于特征尺寸处于微米到毫米范围内的微通道,由于微尺度效应,液-液两相的流动形式主要为层流,且两相间界面受流动状况和界面张力影响,产生了多种界面现象,呈现不同的流型。

正确辨识微通道内液-液两相流型,是研究液-液两相流的基础。

1 液滴的生成方式及机理液液两相流中液滴的形成过程与气泡类似,但液滴与连续相之间的表面张力作用更加明显,粘性力的作用更加突出,同时由于液滴的不可压缩性使得其流型更具规律性。

按照液滴在通道入口的生成方式,可以将制备液滴的方法分为三类:共流型(Co-flowing)、交叉流型(Cross-flowing)、拉伸流型(Elongation-flowing),如图1所示。

图1 微通道中液滴的三种形成方式三种方式中,液滴的形成原理各不相同。

对于共流型而言,分散相通过微孔进入通道内,由于连续相和分散相的流速不同,分散相受剪切力、粘性力及表面张力的共同作用形成液滴;对于交叉流型而言,分散相通过支路通道进入到连续相中,液滴形成受通道壁面的影响较大;对于拉伸流型而言,其原理与共流型类似,但其受连续相的剪切作用更强。

相比较而言,交叉流型只需一对相互交叉的通道入口即可,微通道的结构相对简单,因此被广泛用于液液两相流中液滴的生成。

液滴的形成过程主要可分为Squeezing、Dripping以及Jetting三种机制,如图2所示。

图2 T形微通道中液滴的三种形成机制液滴的三种形成机制与流体粘度和表面张力关系较大,为方便讨论引入了毛细数Ca 这一无量纲常数(定义为流体粘性力与表面张力之比Ca=uμ/σ)。

当毛细数较小 (<10-2)时,流体受表面张力的作用较粘性力更为明显,此时分散相能够占据整个通道,在入口处受到连续相较强的推动力作用,此时液滴的形成机制为Squeezing机制;当毛细数逐渐增大到超过某一临界值(~10-2)后,流体粘性力的作用也随之变大,液滴头部在粘性力的作用下会逐渐往通道下游移动,微液滴不再能够占据整个通道,此时液滴的形成机制为Dripping机制;当液滴的毛细数继续增大(>0.3),此时流体的粘性力起主导作用,液滴的形成位置会沿着连续相流动方向大大后移,此时液滴的形成机制为Jetting机制。

纳米流体在使用两相模型波浪通道内紊流强制对流

纳米流体在使用两相模型波浪通道内紊流强制对流

纳米流体在使用两相模型波浪通道内紊流强制对流两相混合物模型被用于数值模拟的Al2O3-动荡的强制对流水纳米流体在波状挡边通道下恒热流。

这两种混合和单相模式实施研究在这样的纳米流体流动几何形状和结果进行了比较。

的影响纳米颗粒的体积分数,雷诺数和波纹壁传热速率的振幅进行了研究。

结果表明,随着纳米颗粒的体积分数,雷诺数和振幅壁波,传热率增加。

高努塞尔数比在单相模式类似的案例。

Introduction传热系统的优化是一个显著的问题在许多工程应用中,特别是那些采用紧凑式换热器。

用波浪渠道,作为一种被动方法是一种廉价的和适宜的方式以增加在紧凑式换热传热率热交换器。

波浪渠道防止发展流通过扰乱流场和边界层和也提高较高和较低温度的混合流,这有助于提高传热。

几何形状和结果进行了比较。

的影响纳米颗粒的体积分数,雷诺数和波纹壁传热速率的振幅进行了研究。

结果表明,随着纳米颗粒的体积分数,雷诺数和振幅壁波,传热率增加。

还结果表明,该混合模型产生于高努塞尔数比在单相模式类似的案例。

另一方面,紊流是非常重要的从科学和工程的角度来看,因为它通常发生在许多工业应用中,如热交换器,制冷系统,燃气涡轮机和核反应堆。

王和陈[1]研究了热传递率在在层流政权统一的正弦波纹通道壁温。

他们发现,通过增大雷诺数数和普朗特数都热的速率传输和表面摩擦的增加,并且没有显著强化传热在较小的幅度波长。

在类似的情况下,穆罕默德等人。

[2]数值研究层流强制对流在波浪的入口区域墙通道恒定壁面热流。

雷诺数是在100-1500的范围和幅度表面为0和0.5之间。

他们的研究结果表明:的剪切应力和努塞尔数随增大雷诺数和最高幅度发生在入口区域。

Zhang等人。

[3]研究了数值的热传递增强的Al2O3-水纳米流体的自然对流在加热波浪腔。

他们研究的影响瑞利数,波浪墙和体积的幅度在流场和温度纳米流体的部分分布。

他们报道了这些参数的影响都在流场更有效的比对温度分布。

拉希米等。

[4],研究了湍流强制对流在一个会聚的正弦通道射流数值。

流体力学中的微尺度流动与纳米流体力学

流体力学中的微尺度流动与纳米流体力学

流体力学中的微尺度流动与纳米流体力学流体力学是研究流体运动规律以及与固体的相互作用的学科。

随着科学技术的不断发展,流体力学的研究也逐渐趋向于微尺度和纳米尺度领域。

微尺度流动和纳米流体力学成为了流体力学中的两个热点领域。

本文将对流体力学中的微尺度流动和纳米流体力学进行详细论述。

一、微尺度流动微尺度流动是指在微观尺度范围内,流体在微通道或微器件中的运动情况。

与传统的宏观流体力学相比,微尺度流动具有独特的特点和现象。

其中主要包括流体的微观动力学行为、边界效应、离子输运、毛细管现象等。

微尺度流动的研究不仅能够深化对微流体理论的认识,还可以为微流体器件的设计与应用提供理论支持。

在微尺度流动中,一些经典的宏观流体力学理论不再适用,因为流体分子之间的相互作用开始显现出来。

例如,在微小通道中,由于壁面效应的存在,流体分子在壁面附近的受力情况发生了变化,表现出与宏观尺度下不同的流动规律。

微尺度流动的研究对于微流体器件的设计与性能优化具有重要意义。

二、纳米流体力学纳米流体力学是研究纳米尺度下流体运动规律的学科。

随着纳米科技的迅速发展,人们开始关注纳米尺度下流体行为的研究。

纳米尺度下的流体力学与微尺度流动存在相似之处,但也有其独特的特点。

在纳米尺度下,流体分子与壁面之间的相互作用更加明显,其所引发的表面现象对流体行为产生了重要影响。

例如,在纳米通道中,由于流体分子与壁面之间的分子间力作用的影响,流体的黏度、热传导系数等性质可能出现变化。

纳米流体力学的研究对于纳米材料的加工及纳米器件的设计与应用具有重要意义。

三、应用前景微尺度流动和纳米流体力学的研究在科学与工程领域都具有重要的应用前景。

在科学研究方面,微尺度流动和纳米流体力学的研究不仅能够深化我们对流体行为的认识,还可以拓展流体力学理论的边界。

通过对微尺度流动和纳米流体力学的研究,我们可以更好地理解生物流体的运动原理、环境中微小颗粒的传输行为等。

在工程应用方面,微流体器件和纳米材料的应用前景巨大。

微通道内纳米流体传热流动特性

微通道内纳米流体传热流动特性

微通道内纳米流体传热流动特性目录一、内容描述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究内容与方法 (5)二、微通道内纳米流体传热理论基础 (6)1. 纳米流体概述 (8)1.1 定义与特性 (8)1.2 纳米流体的制备与性质 (9)2. 微通道传热理论基础 (11)2.1 微通道概念及优势 (12)2.2 传热基本理论 (13)三、微通道内纳米流体流动特性研究 (15)1. 纳米流体流动性质 (16)1.1 粘度特性 (16)1.2 流动性及流动阻力 (17)2. 微通道内纳米流体流动行为分析 (18)2.1 流动模式 (19)2.2 流动特性影响因素研究 (20)四、微通道内纳米流体传热特性研究 (22)1. 纳米流体传热性质 (23)1.1 导热系数 (24)1.2 热扩散系数 (24)2. 微通道内纳米流体传热行为分析 (25)2.1 传热模型建立 (26)2.2 传热性能影响因素研究 (27)五、微通道内纳米流体传热流动特性实验研究 (28)1. 实验系统搭建 (30)1.1 实验装置介绍 (31)1.2 实验操作流程 (32)2. 实验结果分析 (33)2.1 实验数据记录与处理 (34)2.2 实验结果讨论 (35)六、微通道内纳米流体传热流动特性数值模拟研究 (35)一、内容描述本篇论文深入探讨了微通道内纳米流体的传热流动特性,旨在揭示纳米尺度下流体与壁面之间的相互作用机制及其对传热效率的影响。

通过采用先进的实验技术和数值模拟方法,本研究对不同纳米颗粒尺寸、形状以及添加剂的纳米流体在微通道中的对流换热和热传导过程进行了系统的研究。

论文首先介绍了纳米流体的基本概念和特性,以及微通道在热传递领域的应用背景。

通过实验观察和数值模拟,详细分析了纳米颗粒尺寸和形状对流体对流换热系数的影响,揭示了纳米颗粒表面效应和颗粒间的相互作用对传热过程的作用机理。

论文还探讨了添加剂对纳米流体传热性能的改善作用,特别是表面活性剂和金属纳米颗粒对对流换热和热传导的显著增强效果。

微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术解读

微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术解读

绪论微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术,包括系统、器件及相应的材料与加工技术。

特点:1.多数微米纳米系统、器件会保持宏观基本性质,这就为大型器件和系统微小型化提供了空间,而微小型化会带来占用空间、能量消耗、材料耗费、应用范围等方面的巨大好处2.一些微米纳米尺度的系统、器件、材料具有宏观不具备的一些特殊性质,产生前所未有的新功能3.在微米纳米尺度上的科学研究还进行得很少,已有研究一般都停留在现象上,有关加工、操作和理论上的研究涉及较少4.理论有别于宏观理论和微观理论,为科学研究留下较大空间5.加工方式特殊6.交叉性和渗透性强7.应用广泛MEMS是将热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺加工到芯片上,并通过与电路的集成乃至相互之间的集成组成复杂的微型系统。

特点:1.微小结构。

体积小重量轻2.智能化3.交叉性与渗透性4.具备集成电路的一些特点,如批量化、低成本等纳米技术的分类:纳米电子学、纳米材料、纳米结构、NEMS纳机电系统、纳米操作和纳米制造、纳米结构的检测与表征。

当把微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下变成了纳机电系统,其特点是尺寸更小、质量更小、更灵敏精确、更低功耗,可用于精密测量,机械结构更高的固有频率,但噪声大,加工难度大。

对社会的影响:新型材料、生物与医学、能源、环境、国土安区和反恐、科学发展微纳米技术的应用微纳力学传感器包括微惯性、压力传感器、应变力传感器、触觉传感器、微麦克风等。

压力传感器把压力转换成电信号输出的传感器,分为绝对压力传感器和差压传感器。

压力传感器应用早且广泛,是目前MEMS最大的市场之一,早期用于汽车发动机的进气管绝对压力(MAP)测量,另一个重要的应用是检测轮胎压力,其他的应用包括血压计、工业控制、环境监测等方面。

微型惯性传感器包括加速度计和陀螺,是利用物体的惯性来测量物体运动情况的一类传感器。

加速度计稳态条件下即已知质量块的位移就可以知道外界的加速度。

纳米流体的研究现状及其应用

纳米流体的研究现状及其应用

纳米流体的研究现状及其应用随着纳米科技的不断发展,纳米流体也成为当前研究热点之一。

纳米流体是指在纳米尺度下流动的流体,它具有比一般流体更强的表面和界面效应,以及更高的比表面积和化学反应活性。

纳米流体的研究不仅有助于深入理解微纳尺度下的流体力学和传热传质规律,还有很多的应用前景,比如生物医学、化学反应、石油开采等领域。

一、纳米流体的性质纳米流体的特殊性质主要来自两个方面:表面效应和量子效应。

表面效应是指当物体的尺寸缩小到纳米尺度时,其表面积与体积的比值增大,表面吸附的现象增强,表面张力也会发生变化。

而量子效应则是指当粒子的尺寸越小,其波长与粒子间距的相对大小越大,从而产生量子力学效应。

这些特殊性质导致纳米流体的运动规律和热力学性质与宏观流体的不同。

二、纳米流体的研究进展纳米流体的研究已经涉及到了各个领域,尤其是微纳尺度的流体力学和热传导研究方面,例如微通道流体力学、纳米流体传输和分离、纳米流体传热等。

其中微通道流体力学是目前较为活跃的领域之一。

微通道具有高比表面积和流阻损失小的特点,可应用于微流控芯片、微反应器、纳米电池、微电子冷却等。

此外,纳米流体在生物医学、油田开采、水处理等领域也有广泛的应用。

在生物医学上,纳米流体可以用于药物输送、肿瘤治疗和影像学诊断。

在油田开采中,纳米流体可以改进油井回注效果和增加油田采收率。

在水处理领域,纳米流体可以用于海水淡化、废水处理和水垢控制等。

三、纳米流体的未来发展随着纳米技术的不断发展,纳米流体的研究也将会得到更进一步的推广和应用。

未来纳米流体的应用方向也将更加多元化,比如在太阳能电池、环境治理、食品加工等领域的应用将更为广泛。

同时,在纳米流体的制备、性能调控和动力学研究方面仍然存在很多挑战和难题,需要进一步深入研究。

总之,纳米流体具有独特的物理化学性质和广泛的应用前景,其研究对于解决当今重要科学和技术问题具有重要意义。

流体力学大通道入小通道

流体力学大通道入小通道

流体力学大通道入小通道标题:流体力学:从大通道到小通道的奇妙旅程导语:在流体力学领域,大通道与小通道之间存在着一种奇妙而引人注目的关系。

通过研究流体在这两种通道中的运动规律,我们可以揭示出许多有趣的现象和应用。

本文将从深度和广度两个维度,探讨流体力学在大通道入小通道过程中的相关原理和应用,希望能为读者带来全面、深入且有价值的内容。

一、大通道中的流体力学探索1. 流体力学基本概念及流体性质流体力学是研究流体在不稳定状态下的运动规律的学科。

流体的性质包括粘度、密度和液体压强等。

在大通道中,流体的运动主要受到牛顿第二定律和质量守恒定律的影响。

2. 流体的连续性方程根据质量守恒定律,大通道中的流体在稳定运动过程中,其质量必须保持恒定。

这导致了连续性方程的建立,即通过管道横截面积相等的任意两个截面,单位时间内进出的质量必须相等。

连续性方程揭示了流体在大通道中的流动特性。

3. 流速分布与雷诺数在大通道中,流体的流速分布通常是非均匀的。

研究流速分布可以帮助我们了解流体在大通道中的流动模式,雷诺数是描述流体运动稳定性的一个重要指标。

4. 流态转变与湍流随着通道尺寸的减小,流体的流态也会发生转变。

研究发现,在某些条件下,当雷诺数超过临界值时,流体将从层流转变为湍流。

湍流的特点是流速分布的不规则性和能量的不断转化。

二、小通道中的流体力学挑战与应用1. 纳米尺度下的尺寸效应在小通道中,由于通道尺寸较小,流体受到了纳米尺度的尺寸效应影响。

尺寸效应的存在导致了许多非常规的流体行为和现象,如层流现象、电滞效应和电致流动等。

2. 纳米流体传热和传质特性小通道中的流体物理和传递过程发生了显著改变,研究发现,纳米尺度下的流体传热和传质特性与大通道中存在着巨大的差异。

这些特性的研究对于纳米材料和生物医学领域具有重要意义。

3. 微流控技术与实际应用随着对小通道中流体行为的深入研究,微流控技术应运而生。

微流控技术基于对流体在小通道中的精确控制,可以用于实现微型化、自动化的实验平台。

水分子在纳米孔道中的输运性质研究

水分子在纳米孔道中的输运性质研究

水分子在纳米孔道中的输运性质研究随着科学技术的不断发展,我们对于物质微观尺度的理解越来越深入,纳米科学与技术也因此成为当今科技领域的热门研究方向。

纳米孔道作为一种典型的纳米材料,其尺寸在几纳米级别,因此具有较高的比表面积和活性表面,能够在多种领域中广泛应用,如催化反应、分离技术、生物医学等。

而水分子在纳米孔道中的输运性质的研究则是近年来研究的热门话题之一。

水分子在纳米孔道中的输运性质研究,不仅能够帮助我们更深入地了解水分子的行为规律,也能够为开发更高效的纳米孔道材料提供理论基础和指导。

下面,我们将从水分子在纳米孔道中的传输机理、影响因素、以及应用前景进行介绍。

1、水分子在纳米孔道中的传输机理由于纳米孔道的尺寸在纳米级别,其内部构造十分复杂,因此水分子在其内部的传输机理既受到纳米孔道内部的物质与结构等因素影响,也受到水分子分子本身的性质和外部环境的综合影响。

目前,根据实验研究和理论模拟,水分子在纳米孔道中传输的机理可归纳为以下几种:1)碾压传输碾压传输是一种比较常见的水分子在纳米孔道中的传输机理,它是指水分子由于受到纳米孔道的限制,在分子内部自由运动受到限制,因此难以通过孔道,只能通过被压缩和排斥的方式,在纳米孔道上形成压力而实现传输。

2)扩散传输扩散传输是指水分子在纳米孔道中由于受到过多分子壁的阻碍,无法墨汁直行进入孔道,只能通过孔道外侧的支持平面来回扩散将其凝聚在一起,从而实现传输。

扩散传输受到孔道直径和孔道墨汁的亲疏性等因素影响。

3)离子输运离子输运是指离子化水分子通过纳米孔道被迫聚集在一起,随着离子的扩张和降解,最终完成水分子的输运。

2、影响水分子传输的因素水分子在纳米孔道中的传输受到多种因素的制约,主要包括:1)孔道尺寸孔道尺寸是影响水分子在纳米孔道中传输的重要因素。

研究表明,孔道尺寸可以直接影响水分子的扩散速率,当孔道尺寸小于水分子分子半径时,其内部空间能够将纳米孔道内的水分子锁定并扭曲,使其无法自由扩散,从而影响水分子的传输效率。

微纳米尺度流动与传热传质基础

微纳米尺度流动与传热传质基础

微纳米尺度流动与传热传质基础
微纳米尺度的流动与传热传质基础是一个复杂的学科领域,它涵
盖了不同的领域如微流体力学、传热传质、生物化学、材料科学等。

这个领域的研究对科技领域有着巨大的影响,因为它可以给人们带来
更小、更快、更有效的技术方案。

首先,我们来谈谈微纳米尺度的流动。

在微纳米尺度下,流体遵
循的是微观运动学原理,与宏观流体力学不同。

流动的介质是极小的、具有高表面活性和流体分子之间相互作用的物质,如气体、液体和悬
浮液。

微观尺度下,一些特殊现象如界面现象、毛细现象和饱和悬浮
等在流动中变得更加明显。

流体与控制介质界面的形状和内部运动也
是微观尺度流动的重要特征。

其次,微纳米尺度的传热传质也是一个重要的领域。

在微观尺度下,热传递是通过分子间的能量传递来实现的。

在微观尺度下,物态
变化也会对热传递产生巨大影响,如气态、液态和固态之间的相变。

热传递方式包括传导、对流和辐射。

同时,由于微纳米尺度下表面积
相对较大,因此表面效应和相互作用在传热传质过程中也是非常重要的。

最后,我们谈论微纳米尺度流动与传热传质的应用。

微纳米科技
在生物医学和环境监测方面有着广泛的应用,例如微型分析仪器、悬
浮液调制和细胞操作体系等。

在电子学和热管理领域,微纳米技术也
具有很高的价值,例如光纤通讯、光电处理和半导体热管理等。

综上所述,微纳米尺度流动与传热传质基础是一个复杂的学科领域,从理论研究到实际应用都具有非常重要的意义。

我们可以预见这
个领域在未来将对科技进步和产业发展产生更多的贡献。

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》范文

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》范文

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》篇一一、引言在微纳米尺度下,流体流动与宏观尺度存在显著差异,特别是在柔性纳米通道中,电渗流动现象更是引起了广泛关注。

电渗流动是利用电场力驱动流体在纳米通道中运动,其在生物传感、微流体控制、能量转化等多个领域有着重要的应用价值。

本篇论文将深入探讨柔性纳米通道内的电渗流动特性及电动能量转化效率的研究进展。

二、柔性纳米通道电渗流动的基本原理电渗流动是利用双电层效应,通过在通道壁施加电势差,使流体在电场力的作用下产生流动。

柔性纳米通道因其具有良好的形变能力和较高的表面积体积比,更利于实现高效电渗流动。

电渗流动的速度、流量及方向均受到电解质溶液浓度、施加电势、通道几何形状和通道壁材料等因素的影响。

三、柔性纳米通道内电渗流动的模型构建与实验方法对于柔性纳米通道的电渗流动研究,建立合适的模型与实验方法是关键。

模型方面,基于Poiseuille定律和非平衡态热力学理论,结合双电层模型,构建了描述柔性纳米通道内电渗流动的数学模型。

实验方法上,采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对通道结构进行表征,同时利用微流控技术进行流速、流量的测量和实验数据的收集。

四、电渗流动的特性和影响因素分析研究表明,柔性纳米通道内的电渗流动表现出显著的特点:流动速度快、能量转化效率高。

电解质溶液的浓度对电渗流动的速度和方向具有重要影响,高浓度电解质有利于提高流速和稳定性。

此外,施加电势的大小和分布也直接影响着流体的运动状态。

同时,通道壁材料的表面电荷密度和亲疏水性也对电渗流动产生重要影响。

五、电动能量转化效率的研究电动能量转化效率是评价电渗流动性能的重要指标。

通过理论计算和实验测量,我们发现,在特定的条件下,柔性纳米通道内的电动能量转化效率可以达到较高水平。

这一效率受到电解质种类、浓度、流道设计及工作温度等多个因素的影响。

为提高能量转化效率,研究者需在材料选择、流道设计以及控制策略等方面进行深入研究和优化。

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》范文

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》范文

《柔性纳米通道内电渗流动及电动能量转化效率研究》篇一摘要本篇论文致力于探索柔性纳米通道内部电渗流动的特性以及其在能量转化过程中的效率问题。

柔性纳米通道因其在微流控、生物传感以及能量转换领域的应用潜力,而受到了广泛关注。

本文首先概述了柔性纳米通道的电渗流动基本理论,并在此基础上通过实验与模拟的方法,详细分析了电渗流动的特性及影响因素,最后探讨了电动能量转化的效率问题。

一、引言随着纳米科技的飞速发展,柔性纳米通道因其独特的物理和化学性质,在微流控、生物传感、药物输送以及能量转换等领域展现出巨大的应用潜力。

电渗流动作为纳米通道内流体传输的主要机制之一,其研究对于理解纳米尺度下的流体行为及优化能量转换效率具有重要意义。

因此,本篇论文的研究目标是对柔性纳米通道内电渗流动的特性和电动能量转化的效率进行深入的研究。

二、柔性纳米通道电渗流动基本理论电渗流动是利用施加在通道壁上的电势差来驱动流体在纳米通道内运动的一种现象。

在柔性纳米通道中,由于材料的特殊性,电渗流动的特性会受到通道结构、材料性质以及环境条件等多种因素的影响。

本部分首先介绍了电渗流动的基本原理和影响因素,为后续的实验和模拟研究提供了理论基础。

三、实验与模拟方法为了深入研究柔性纳米通道内电渗流动的特性及电动能量转化的效率,本文采用了实验和模拟相结合的方法。

实验部分主要利用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等手段观察和记录电渗流动的过程和结果;模拟部分则通过建立数学模型,利用计算机仿真技术对电渗流动进行模拟分析。

四、电渗流动特性分析通过实验和模拟的结果,我们发现柔性纳米通道内电渗流动的特性受到多种因素的影响。

首先,通道的结构和材料性质对电渗流动的速度和方向有着显著的影响。

其次,环境条件如温度、湿度和溶液的离子浓度等也会对电渗流动产生影响。

此外,我们还发现,在一定的条件下,柔性纳米通道的电渗流动表现出良好的可调谐性,为能量转换提供了可能性。

纳米水通道的设计和模拟

纳米水通道的设计和模拟

作者: 章其林
作者机构: 安徽工程大学数理学院,安徽芜湖241000
出版物刊名: 长春师范大学学报
页码: 40-43页
年卷期: 2015年 第6期
主题词: 纳米水通道 一维水链 输运
摘要:纳米受限空间的水表现出与宏观体相水不一样的构型和动力学性质,近年来引起人们的广泛关注。

其中水在纳米通道中的输运性质,对生命科学、物理化学、纳米流体器件领域的发展都显得特别重要。

本文介绍了几种纳米水通道的设计和模拟,揭示了外界环境、点电荷、形变以及外部吸引力对纳米尺度下水的动力学性质的显著影响,这些成果对设计高通量和可控的纳米流体器件具有重要的指导意义。

细胞膜运输通道的结构和功能

细胞膜运输通道的结构和功能

细胞膜运输通道的结构和功能细胞膜是生物体中最重要的组成部分之一,其主要功能是分隔细胞内外环境,控制物质的进出,维持细胞内稳态等。

在维持这些功能的同时,细胞膜还面临着一个重要的挑战,就是如何实现物质的有序、高效、选择性进出。

这一问题的解决依赖于细胞膜中的运输通道。

一、细胞膜运输通道的种类细胞膜运输通道可以分为两类:被动扩散和主动转运。

被动扩散是指物质沿着浓度梯度自发地从高浓度移动到低浓度的过程。

在细胞膜中,被动扩散主要发生在脂质双层中,因为该层具有很好的疏水性,能够限制极性物质的进出。

然而,大多数生物体都需要进出极性分子和离子,因此细胞膜还需要主动转运的机制。

主动转运是指在能量驱动下,物质通过特定的运载蛋白、离子泵等通道,跨越膜层从低浓度到高浓度的过程。

主动转运包括杂交素、钙离子ATP酶、钠离子泵等。

这些通道不仅可以实现物质的高效、选择性进出,还能帮助生物体维持正常代谢状态。

二、传统的细胞膜运输通道传统的细胞膜运输通道是指能够形成孔道或通道的蛋白质,主要包括:1. 离子通道离子通道是一种嵌入在细胞膜中的蛋白质,其通道中心是一个氨基酸残基配对的电荷环,其大小和形状决定了通道的离子选择性和通透性。

离子通道的作用在于细胞内外的离子转移。

绝大多数离子通道都呈现出高度的选择性,如K+通道、Na+通道、Cl-通道等。

2. 载体蛋白载体蛋白具有一定的选择性,可以通过分子识别的方式,将特定的物质从细胞外转移到细胞内,或从细胞内到细胞外。

载体蛋白通常需要ATP的参与来完成运输过程。

3. 水通道水通道是一种介导水分子从一侧细胞膜到另一侧的通道。

水通道的核心部分是用8个相对应的α-螺旋组成的双层表面上的疏水孔。

水通道的另一面则是一层水分子,在这一方面它就像一个集装箱,可以将大量的水分子在膜上快速移动。

三、新型的细胞膜运输通道传统的细胞膜运输通道虽然在维持生命过程中起到了重要作用,但是在现代生命科学中,也涌现出了一些新型的细胞膜运输通道。

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Controllable Water Channel Gating of Nanometer Dimensions Rongzheng Wan,†Jingyuan Li,‡Hangjun Lu,§and Haiping Fang*,†Contribution from Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,P.O.Box800-204,Shanghai201800,China,Department of Physics,Zhejiang Uni V ersity, Hanzhou,310027,China,and Department of Physics,Zhejiang Normal Uni V ersity,321004,Jinhua,ChinaReceived January5,2005;E-mail:fanghaiping@Abstract:The dynamics of water molecules in a single-walled carbon nanotube(SWNT)under continuous deformations was studied with molecular dynamics simulations.The flux and occupancy remain almost fixed within a deformation of2.0Åbut decrease sharply for a further deformation of0.6Å.The nanopore is an excellent on-off gate that is both effectively resistant to deformation noises and sensitive to available signals.Biological water channels are expected to share this advantage due to similar wavelike water distributions.The minimal external force required for triggering an open-close transition falls within the working range of many available experimental facilities,which provides the possibility of developing SWNT-based nanoscale devices.IntroductionWater channels of nanometer dimensions play a key role in biological membrane transport.1-5How the behavior of water molecules depends on the shape and dimension of biological pores is far from being understood.6Recently,water permeations across the biological membranes such as Aquaporin,Glpf,and MscS have been studied by molecular dynamics simulations.5,7-10 Unfortunately,the complicated structure of membranes and membrane-water interactions often make it highly complex for direct investigations.On the other hand,primary characteristics can usually be exploited by studying a similar but structurally less complicated problem.In2001,Hummer et al.showed that single-walled carbon nanotubes(SWNT)can be designed as molecular channels for water.11They observed that a minute reduction in the attraction between the tube wall and water dramatically affected pore hydration,leading to sharp,two-state transitions between empty and filled states on a nanosecond time scale.11Beckstein et al.have investigated the passage of water through atomistic models of hydrophobic nanopores embedded with a membrane minetic by molecular dynamics simulations.12An abrupt transition from a closed state(no water in the pore cavity)to an open state(cavity water at ap-proximately bulk density)has been found once a critical pore radius is exceeded.12The vapor-liquid transition has also been observed in mechanosensitive channels10,13,14and other hydro-phobic nanopores.15-18Biological channels are usually gated.They contain a region that can interrupt the flow of molecules(water,ions)and thus can switch between open and closed states.5,7-9,19-21This region plays a central role in water permeation across a biological membrane.In this study,a simple hydrophobic nanopore is used as a prototype to study the response of such a region under continuous deformations by mechanical stress.Explicitly,an atom of a SWNT is affected by an external force(hereafter we refer to this atom as the forced-atom),which pushes this atom, together with neighbor atoms,to leave their initial equilibrium locations.The origin of the force can come from effective techniques and/or other molecules.Hydrostatic pressure is applied between two ends of the SWNT to exploit the flux change due to deformations.We found that the nanopore was an excellent on-off gate that is both effectively resistant to noises and sensitive to available signals.Within a displacement of about2.0Åof the forced-atom,the average number N of water molecules inside the nanotube,denoted by〈N〉,remains almost unchanged and the water flux even increases a little. This critical value of the displacement depends on the peak-to-peak value of the wavelike pattern of the water distribution†Shanghai Institute of Applied Physics.‡Zhejiang University.§Zhejiang Normal University.(1)Denker,B.M.;Smith,B.L.;Kuhajda,F.P.;Agre,P.J.Biol.Chem.1988,263,15634-15642.(2)Preston,G.M.;Agre,P.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1991,88,11110-11114.(3)Murata,K.;Mitsuoka,K.;Hirai,T.;Walz,T.;Agre,P.;Heymann,J.B.;Engel,A.;Fujiyoshi,Y.Nature2000,407,599-605.(4)Zeidel,M.L.;Ambudkar,S.V.;Smith,B.L.;Agre,P.Biochemistry1992,31,7436-7440.(5)de Groot,B.L.;Grubmu¨ller,H.Science2001,294,2353-2357.(6)Finkelstein,A.Water Mo V ement Through Lipid Bilayers,Pores,and PlasmaMembranes:Theory and Reality;Wiley:New York,1987.(7)Tajkhorshid E.;Nollert,P.;Jensen,M.Ø.;Miercke,L.J.W.;O’Connell,J.;Stroud,R.M.;Schulten,K.Science2002,296,525-530.(8)Vidossich,P.;Cascella,M.;Carloni,P.Protein2004,55,924-931.(9)Zhu,F.Q.;Tajkhorshid,E.;Schulten,K.Biophys.J.2004,86,50-57.(10)Anishkin,A.;Sukharev,S.Biophys.J.2004,86,2883-2895.(11)Hummer,G.;Rasalah,J.C.;Noworyta,J.P.Nature2001,414,188-190.(12)Beckstein,O.;Biggin,P.C.;Sansom,M.S.P.A.J.Phys.Chem.B2001,105,12902-12905.(13)Saparov,S.M.;Pohl,P.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2004,101,4805-4809.(14)Biggin,P.C.;Sansom,M.S.P.Curr.Biol.2003,13,R183-R185.(15)Maibaum,L.;Chandler,D.J.Phys.Chem.B2003,107(5),1189-1193.(16)Beckstein,O.;Sansom,M.S.P.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2003,100,7063-7068.(17)Grubmuller,H.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2003,100,7421-7422.(18)Allen,R.;Melchionna,S.;Hansen,J.P.Phys.Re V.Lett.2002,89,175502.Published on Web04/21/200571669J.AM.CHEM.SOC.2005,127,7166-717010.1021/ja050044d CCC:$30.25©2005American Chemical Societyinside the unperturbed nanotube.An abrupt transition from the open state to the closed state occurs by an additional displace-ment of about 0.6Å.Interestingly,the wavelike patterns have also been observed in biological water channels so that a similar critical displacement is expected.7This open -close transition can be triggered by an external force of only ∼1.8nN,which falls within the force range of many available experimental facilities.This provides the possibility of controlling the water flow across the nanotube and developing SWNT-based nano-scale devices.Computational MethodsThe simulation framework is shown in Figure 1(A,B).A single graphite sheet divided the full space into two parts.An uncapped,single-walled carbon nanotube 2213.4Åin length and 8.1Åin diameter was embedded in the graphite sheet along the z direction.The distance between the bottom end of the SWNT and the graphite sheet is 2Å.The 144-carbon (6,6)nanotube was formed by folding a graphite sheet of 5×12carbon rings to a cylinder and then relaxed with the interaction between carbon atoms.This interaction was described with the parametrized potential by Brenner 23according to the Tersoff for-mulism.24Initially water molecules were filled in the other space of the system except for the channel of the SWNT.Periodic boundaryconditions were applied in all directions.A force F (t )was applied to one carbon atom (the forced-atom)in the right side of the carbon nanotube.Consequently some of the neighboring carbon atoms were pushed away from their initial positions.The carbon atoms in the left half of the carbon nanotube were fixed.For each external force F ,an equilibrium state R of a SWNT could be obtained by relaxation,corresponding to a displacement of the forced-atom,denoted by δ.When two sides of a membrane have the same hydrostatic pressure but different concentrations of an impermeable solute,an osmotic pressure difference is established and water flows from the side with lower solute concentration to the other side.In this paper,we applied a force to each water molecule along the +z direction to obtain a pressure difference between two ends of the SWNT.This pressure difference is something like the osmotic pressure difference.9,25It was found that the pressure difference between two ends of the SWNT is 133MPa for an additional acceleration of 0.1nm ps -2at each atom,smaller than that used in ref 25.To prevent the SWNT from being swept away,the carbon atoms at the inlet,outlet,and where the external force was exerted were fixed in the simulations.The molecule dynamics simulations were carried out at a constant pressure (1bar with initial box size L x )3.0nm,L y )3.0nm,L z )4.0nm)and temperature (300K)with Gromacs 3.2.1.26Molecular dynamics has been recognized as one of the most effective tools in the study of water in SWNT,in proteins,and between proteins.5,7-11,13,17,27-29,32Here the TIP3P 30water model was applied.A time step of 2fs was(19)Miyazawa,A.;Fujiyoshi,Y.;Unwin,N.Nature 2003,423,949-955.(20)Sui,H.X.;Han,B.G.;Lee,J.K.;Walian,P.;Jap,B.K.Nature 2001,414,872-878.(21)Zhou,M.;Morals-Cabral,J.H.;Mackinnon,R.Nature 2001,411,657-661.(22)Liu,J.;et al.Science 1998,280,1253-1256.(23)Brenner,D.W.Phys.Re V .B 1990,42,9458-9471.(24)Tersoff,J.Phys.Re V .Lett.1988,61,2879-2882.(25)Zhu,F.Q.;Tajkhorshid,E.;Schulten,K.Biophys.J.2002,83,154-160.(26)Hess,B.;et al .Gromacs-3.2.1;Department of Biophysical Chemistry,University of Groningen,2004.(27)Truskett,T.M.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2003,100,10139-10140.Figure 1.(A,B)Snapshot of the simulation system.The carbon nanotube in (A)is unperturbed.An external force,marked by F,acts on an atom of the carbon nanotube in (B),and a deformation can be clearly seen.δis the displacement of the forced-atom from its initial equilibrium position in (A).The green spheres are the carbon atoms of the nanotube.(C)Number N of water molecules inside the tube and the water flux as a function of time for each conformation.The time period for each conformation is T ,where T )12ns for the occupancy and 216ns for the flux.The flux is defined by the difference of the numbers of water molecules entering the SWNT from the bottom and upper ends,left on the other sides,per nanosecond.The flux shown is averaged at each 18ns.The red numbers at the top of the figure show the value of δfor each conformation.(D)Average number of N and the water flux for the whole period of T ,together with the force F acting on the atom,for different δ.〈N 〉converges very quickly so that 12ns is enough to achieve an acceptable accuracy.Controllable Water Channel Gating A R T I C L E SJ.AM.CHEM.SOC.9VOL.127,NO.19,20057167used,and data were collected every0.5ps.In the simulations,the carbon atoms were modeled as uncharged Lennard-Jones particles with a cross-section ofσCC)0.34nm,σCO)0.3275nm,and a depth of the potential well of CC)0.3612kJ mol-1, CO)0.4802kJ mol-1.11Carbon-carbon bond lengths of0.14nm and bond angles of120°were maintained by harmonic potentials with spring constants of393960 kJ mol-1nm-2and527kJ mol-1deg-2before relaxation.31In addition, a weak dihedral angle potential was applied to bonded carbon atoms.11 Results and DiscussionFor each state R,corresponding to an external force F and displacementδ,the time for the numerical simulation is232 ns.The last216ns of the simulation were collected for analysis. For each simulation,the nanotube is rapidly filled by water from the surrounding reservoir.11Figure1C displays the average number of water molecules inside the tube〈N〉,together with the water flux averaged by each18ns,as a function of time for each conformation.The average values for all the216ns simulations,together with the external force F acting on the force-atom,for differentδare shown in Figure1D.For the unperturbed nanotube,the nanotube is occupied by about five water molecules.11During the entire216ns simula-tion,726and1955water molecules entered the SWNT from the upper and bottom ends and left on the other sides, respectively,resulting in a water flux of5.69water molecules per nanosecond from bottom to upper through the SWNT.This value is comparable to the measured 3.9(0.6ns-1for aquaporin-1.4Comparable flow rates have also been observed in recent simulations on a biological channel25and a carbon nanotube membrane.32It is remarkable to find that even when F is increased to5.34 nN,which corresponds toδof2.0Å,〈N〉is almost unchanged and the water flux even increases a little,as shown in Figure 1C,D.Note that2.0Åis larger than the radius of a water molecule(∼1.4Å).The water flux and the occupancy〈N〉decrease as F(and thusδ)is further increased.For F)7.18 nN,corresponding toδ)2.6Å,the water flux inside the tube becomes a negligible value.In the entire216ns simulation,no water molecules entered the SWNT on one end and left on the other end,indicating that the nanotube is functionally closed. Atδ)2.6Å,the minimal value of the distance between two carbon atoms in the opposite direction is5.6Å,comparable to the pore radius R P that the channel is constitutively closed in the model pore.16It is clear that a SWNT can be completely closed(δ)2.6Å)from an open(δ)2.0Å)state by moving the forced-atom by as little as0.6Å,which is much smaller than the radius change of1Åto switch a hydrophobic pore from closed to open.16The minimal external force F needed to switch a SWNT from full open(δ)2.0Å,F)5.34nN)to closed(δ)2.6Å,F) 7.18nN)is about1.8nN,which is in the working range of an atomic force microscopy and optical tweezers.This provides the possibility for the fabrication of nanosyringes to conduct water molecules.33,34For an unperturbed SWNT,it remains completely open for a maximal external force of5.34nN,which may come from thermal fluctuations,while closes at7.18nN or more. Figure2shows the distribution of water molecules inside the nanotube along the z direction under different values ofδ. The red and black filled circles denote the locations of the carbon atoms.In the case ofδ)0the distribution has a wavelike structure with minimal values at the openings.11Wavelike patterns of the distributions of atoms O and H of water have also been observed in GlpF channels.7In contrast to the water occupancy,which remains almost fixed for0eδe2.0Å,the distribution changes gradually and the peaks(dips)move leftward asδincreases in thisδrange.The water distribution at P,the location facing the forced-atom,decreases,correspond-ing to the narrowing of the nanotube at P.The inlet and outlet are no longer in the positions for the minimal distributions when δ>0.Fromδ≈2.0Åand up the distribution at P is smaller than those of the other dips,and the wavelike pattern is considerably deformed whenδg2.4Å.The distribution at P is very close to zero forδ)2.5Å.However,we can still observe that about one water molecule entered on one side and left on the other side per nanosecond at thisδvalue.Careful(28)Koga,K.;Gao,G.T.;Tanaka,H.;Zeng,X.C.Nature2001,412,802-805.(29)Zhou,R.H.;Huang,X.H.;Margulis,C.J.;Berne,B.J.Science2004,305,1605-1609.(30)Jorgensen,W.L.;Chandrasekhar,J.;Madura,J.D.;Impey,R.W.;Klein,M.L.J.Chem.Phys.1983,79(2),926-935.(31)Van der Spoel,D.;et al.Gromacs User Manual3.1.1;Department ofBiophysical Chemistry,University of Groningen,2002.(32)Kalra,A.;Garde,S.;Hummer,G.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2003,100,10175-10180.(33)Lopez,C.F.;Nielsen,S.O.;Moore,P.B.;Klein,M.L.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2004,101,4431-4434.(34)Aksimentiev,A.;Schulten K.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2004,101,4337-4338.Figure2.Water distribution along the nanotube axis together with the positions of carbon atoms forδ)0,1.4,1.8,2.0,2.4,and2.5Å.The red and black filled circles denote the locations of the carbon atoms.The arrow, marked by P,is the position of the atom affected by an external force.Figure3.Average number of the hydrogen bonds inside the nanotube and(inset)the probability of the hydrogen bond formed by those two water molecules neighboring the forced-atom for differentδ.The solid line is a linear fit forδ<2.0Å.A R T I C L E S Wan et al. 7168J.AM.CHEM.SOC.9VOL.127,NO.19,2005inspection of the data shows that water molecules can pass P very rapidly without staying.Figure 2clearly shows that the water distribution has a similar wavelike pattern in the parameter range 0e δe 2.0Å,except for the shift of peaks and a small change of the peak-to-peak value.The maintenance of the similar wavelike pattern with an almost constant average value leads to the invariability of the total number of water molecules inside the nanotube.The shift of the peaks and slight modification of the peak values are believed to accommodate the deformation of the SWNT due to the external force.It seems that the wavelike pattern at δ)0determines a critical value of δc .Denoted by W 0,the minimal value of the water distribution at δ)0,the distribution at P is approximately equal to W 0at δ)δc .〈N 〉is almost unchanged in the range of δe δc .δc ≈2.0Åin the present system.The water molecules in the SWNT form a single hydrogen-bonded chain.The hydroxyl OH bonds involved in hydrogen bonds (here we adopt a geometric definition of hydrogen bonds,according to which a water pair is hydrogen-bonded if the O -O distance is less than 3.5Åand simultaneously the bonded O -H ‚‚‚O angle is less than 30°)35are nearly aligned along the nanotube axis and collectively flip directions.36,37Due to the deformation of the SWNT,the total number of hydrogen bonds in the nanotube decreases as δincreases (Figure 3).The average number of the hydrogen bonds,denoted by N Hbond ,decreases very slowly in an linear fashion as N Hbond )3.16-0.136Åfor δ<2.0Å.In the δrange with 2.0Åe δe 2.5Å,N Hbond decreases sharply from 2.87to 1.43Å.The decreasing of N Hbond results from the decreasing of the total water molecules inside the nanotube as well as the increasing of the distance between those two water molecules’neighbor to the position P .The increasing of the distance between those two water molecules neighboring P leads to a smaller probability of a hydrogen bond between them.The inset in Figure 3displays the probability,which is only 27%for δ)2.5Å.To explore the role of the flipping of dipoles of the water molecules inside a SWNT and its sensitivity to the deformation,we have computed the average angle φh ,where φis the anglebetween a water dipole and the nanotube axis.The average runsover all the water molecules inside the tube.Some examples are shown in Figure 4A.For the unperturbed SWNT,φh falls in two ranges,15°<φh <50°and 130°<φh <165°,for most of the time,consistent with the observation that the water molecules in SWNT are nearly aligned.37If we define a flip as φh passing through 90°,we can compute the number of flips per nano-second,denoted by the flipping frequency f flip .The results are shown in Figure 4B.Generally,f flip is governed by the potential barrier against flipping.The increment of δleads to two aspects of the potential change,decreasing due to the breakage of hydrogen bonds inside the nanotube and increasing due to the narrowing of the nanotube,which confines water molecules to a smaller space.As that shown in Figure 3,N Hbond decreases very slowly with respect to δfor δe 1.4Å.Consequently,the change of the potential barrier is mainly from the confinement of water molecules,resulting in a slow decreasing of f flip .As δfurther increases,f flip increases.The dependence of f flip on N Hbond is shown in the inset of Figure 4B.In the range of 2.0Åe δe 2.2Å,the functioncan fit the data quite well,where E Hbond is the average energy of a hydrogen bond in the nanotube for δ)2.0,2.1,and 2.2Å.Numerically we find E Hbond )12.96kT .This exponential decay indicates that the change of the potential barrier mainly results from the decreasing of the hydrogen bonds in the nanotube in this parameter range.For larger δ,say 2.5Å,the water chain is frequently ruptured.Only for a small time period,φh falls in the two parameter range,i.e.,15°<φh <50°or 130°<φh <165°.However,in the interval of 2.0Åe δe 2.5Å,we find that the exponential function f flip ∝exp({δ}/{τ})with τ)0.107can fit the data very well.Figure 5displays the free energy of occupancy fluctuations, F (N ))-ln p (N ),where p (N )is the probability of finding exactly N water molecules inside the nanotube.To obtain good statistics,data were collected every 0.25ps in the calculation of p (N ).An approximate Gaussian occupation fluctuation is found for δ)0,consistent with the observation by Hummer et al.11The free energies for δ)1.4and 2.0Åare similar to(35)Xu,H.;Berne,B.J.J.Phys.Chem.B 2001,105(48),11929-11932.(36)Mann,D.J.;Halls,M.D.Phys.Re V .Lett.2003,90,195503.(37)Pome ´s,R.;Roux,B.Biophys.J.1998,75,33-40.Figure 4.(A)φh for δ)0,2.0,2.4,and 2.5Å.(B)Dependence of flipping frequency f flip on δand the number of hydrogen bonds N Hbond inside the nanotube.The solid lines are the fits for the exponential growth vs δand decay vs N Hbond (inset)for different δranges.f flip ∝exp(-N Hbond E Hbond /kT )Controllable Water Channel Gating A R T I C L E SJ.AM.CHEM.SOC.9VOL.127,NO.19,20057169that for δ)0.However,three events have been found with N )7for δ)0,while none for δ)1.4and 2.0Å.With N )0,it occurs 11and 388times for δ)1.4and 2.0Å,respectively,in contrast with none for δ)0.It seems that the effect of the deformation for δe 2.0Åis considerable for the possibilities of the rare events,although the change of the average value of the water molecules inside is negligible.For δ)2.5Å,the function is somewhat flat between N )2and 4,with a minimum at N )2,due to the frequent rupture of the water chain.No intermittent filling is found in the range 0e δe 2.5Å,consistent with the fact that there is no minimum at N )0.11,38Although there are many cases with N )0for δ)2.5Å,the durations for them are short.We have not found two successive data with N )0,indicating that the duration for each case with N )0is less than 0.25ps.ConclusionsThe water molecules inside single-walled carbon nanotubes have distinguished properties as an excellent nano-controllable on -off gate.On one hand,counter to intuition,when the external force exerted on the forced-atom leads to displacements within 2.0Å,the water occupancy in the nanotube remains almost unchanged and the water flux across the nanotube even increases a little.Note that the critical displacement of 2.0Åis larger than the radius of a water molecule (∼1.4Å),indicating that the flux and the water occupancy of an unperturbed SWNT are extremely irrespective of external signals,for example,deformations due to noises.On the other hand,the behavior of water molecules inside the nanotube is sensitive to further deformations.An additional displacement of 0.6Åof the forced-atom leads to an abrupt transition from an open state (flux at an unperturbed SWNT)to a closed state (no flux).Overall,the nanotube has the advantages of an excellent nanoscale on -off gate that it is both effectively resistant to noises and sensitive to available signals.The wavelike pattern of the water distribution in the nanotube is the main cause for this interesting anomaly.The initial deformation of the SWNT,before a critical value,is believed to be accommodated by the shift of the peaks and slight modification of the peak values of the wavelike pattern.The critical value of the displacement depends on the peak-to-peak value of the pattern in an unperturbed nanotube.We are reasonably confident that biological water channels share this advantage since wavelike patterns of water distributions have also been observed in Aquaporin water channels.7The wavelike pattern might be particular to a small pore with only a single water chain inside.We have performed numerical simulations by replacing the (6,6)SWNT with a (8,8)SWNT.The water distribution in the nanotube is quite flat for δ)0,and the average number inside the nanotube is about 15,much larger than that in a (6,6)SWNT,indicating that the single water chain does not exist.Both 〈N 〉and flux decrease considerably compared to those for a (6,6)SWNT for small δ.Details of SWNTs with larger radii will be presented elsewhere.The minimal external force required for a deformation of an open -close transition is only ∼1.8nN,which is in the working range of many available experimental facilities,including atomic force microscopy and optical tweezers.This observation makes it possible to control the water flow across a nanotube.The deformation has significant impact on the collective flipping of the water dipoles in the nanotube.It is found that the change of the potential barrier against the flipping is dominated by the confinement of water molecules for δe 1.4Åand the breakage of the hydrogen bonds within the nanotubes for 2.0Åe δe 2.2Å.The water chain is frequently ruptured for δg 2.5Å.As one can see,it is the simplicity of the carbon nanotube that enables us to carry out numerical simulations over extremely long time periods (216ns)and with a wide range of parameters of δ.The conclusion obtained may have biological significance,which might be helpful to the understanding of the gating mechanics of biological water channels.It also provides the possibility to develop nanoscale SWNT-based devices,including nanosyringes.Acknowledgment.We thank Ruhong Zhou for a carefulreading of our paper.We gratefully acknowledge valuable discussion with Zhiyuan Zhu,Jun Hu,Chunhai Fan,and Yi Zhang.This research is supported by grants from the 100Person Project of the Chinese Academy of Sciences,National Science Foundation,Foundation of Ministry of Personnel and Shanghai Supercomputer Center of China.Supporting Information Available:Complete refs 22,26,and 31.This material is available free of charge via the Internet at .JA050044D(38)Allen,R.;Hansen,J.P.;Melchionna,S.J.Chem.Phys .2004,119(7),3905-3919.Figure 5.Free energy of occupancy fluctuations, F (N ))-ln p (N ),for δ)0,1.4,2.0,and 2.5Å.A R T I C L E S Wan et al.7170J.AM.CHEM.SOC.9VOL.127,NO.19,2005。

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