納米通道水輸運與離子篩選的微觀力學(xué)機理.pdf

1、納米通道水輸運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領(lǐng)域，對水輸運和離子篩選微觀機理的研究在物理、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)三個關(guān)鍵力學(xué)問題，系統(tǒng)研究了納米通道水輸運和離子篩選的微觀力學(xué)機理。
　　基于分子動理論提出了適用于復(fù)雜表面邊界滑移的理論模型。引入等效勢阱深度的概念用以表征固液作用機制對邊界滑移的影響。采用分子動力學(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邊界滑移行為。該擴展的分子動理論滑移模型能夠預(yù)測大剪應(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)型對于界面流動的影響。
　　基于接觸角滯后機制分析研究了非平行光滑和鋸齒壁面間液滴的定向輸運現(xiàn)象。壁面的重復(fù)張開和閉合對液滴施加連續(xù)的拉伸和擠壓，為液滴輸運提供動力。不對稱鋸齒構(gòu)型阻礙了液滴的后退運動，使得液滴在每個開合周期內(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)離尖端的反向運動，而且有效地提高了液滴向尖端的輸運效率。證實了接觸線釘扎并不是液滴輸運過程中的必然階段，液滴向尖端的輸運可以通過完整開合周期內(nèi)向尖端凈位移的累積實現(xiàn)。
　　基于螺旋納米線和納米管道的耦合效應(yīng)設(shè)計形成了納米螺旋泵，并將其用于水的定向輸運。通過對不同幾何參數(shù)納米螺旋泵內(nèi)水輸運機制的研究發(fā)現(xiàn)，納米螺旋泵中的水輸運存在三種模式:簇狀、偽連續(xù)和線性連續(xù)。研究了葉片轉(zhuǎn)速、葉片潤濕性以及螺旋泵管徑等參數(shù)對于輸運機制的影響

4、。結(jié)果表明，水流率隨螺旋線潤濕性的降低而提高。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。
　　將納米螺旋泵擴展應(yīng)用到脫鹽領(lǐng)域。通過縮小葉片螺距創(chuàng)造受限空間，基于尺寸效應(yīng)實現(xiàn)高效離子分離。螺旋泵內(nèi)的水輸運機制可以通過受限阻力和螺距決定的水輸運模式的協(xié)同作用來解釋。基于增大螺旋泵管徑和減小螺旋葉片包含的螺距數(shù)目可以實現(xiàn)對水透過率的有效優(yōu)化。鹽離子的完全過濾和高水流率的同時實現(xiàn)證明了納米螺旋泵不僅是海水脫