石墨烯纳米通道内水的流动特性研究

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石墨烯纳米通道在各个研究领域包括医疗、生物、材料科学等都有广阔的应用前景。石墨烯本身是一种性能优异的二维材料,因此在纳米通道的应用中例如海水淡化、过滤等方面的吸引着众多学者的研究。本文对石墨烯和纳米通道的研究现状进行了介绍和总结,讨论了纳米尺度的流体理论和研究方法,利用分子动力学模拟,对单层石墨烯纳米通道的中的水分子流动特性进行了详细和全面研究。  首先,本文概述了石墨烯本身的基本性质,并介绍了有关纳米通道的研究背景,尤其对碳纳米管及石墨烯通道的研究现状进行了总结分析。  接着,介绍了宏观流体的主要理论,包括连续介质理论假设和典型缝隙流动的特点等;总结了微纳尺度流动不同于宏观流体的性质和特点,包括连续介质理论的失效、微纳尺度流动中的滑移现象等;并总结了当前研究纳米尺度流动的方法。重点对分子动力学方法进行了介绍。  然后,基于分子动力学原理,详细描述了石墨烯纳米通道和水分子的建模过程,包括建立石墨烯、设计石墨烯通道、选取合适的水分子模型等,然后介绍了模拟水分子在石墨烯纳米通道中流动过程中的参数设定,如温度参数、电荷量大小,以及物理量如扩散系数、流量等的求取方法。  最后,对石墨烯纳米通道/水体系模型进行了大量的分子动力学模拟,探讨了石墨烯电荷量、体系温度以及石墨烯通道宽度对水分子流动的影响。模拟结果发现:石墨烯电荷的存在具有抑制水分子流动和扩散的效应,且正电荷的抑制作用稍强于负电荷。石墨烯电荷的增加,会使水分子流量降低,扩散系数减小,速度下降;温度降低时,水分子径向分布函数峰值明显增加,水分子分层现象更加明显,并且温度增加,水分子在流量、扩散系数等方面均会增加;此外,水分子的流动形态出现的网格状结构也与电荷量和温度密切相关;水分子的分层受通道宽度影响较大,从整体上看,其扩散系数和流量随宽度增加而增大。  通过本文对水分子在石墨烯纳米通道中的流动特性的研究,对后续石墨烯纳米通道在海水淡化、溶液过滤和电子器件冷却等方面的研究打下了良好的理论基础。
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