纳通道流体输运特性与调控机制

特征尺寸与流体分子运动自由程相当的分离膜，如渗透汽化膜、反渗透膜、离子交换膜等,涉及纳米尺度通道内的限域传质现象，缺乏传质机制及调控方法的认识，很难定量描述膜微结构和孔界面化学性质对传质通量和选择性的影响，制约了微孔膜材料的设计开发．更加突出的壁面作用以及流体的高度离散特性是纳通道中流体区別于宏观流体的主要特征，壁面附近流体的非均匀结构对纳米受限流体的影响也更为显著，基于连续介质假设的宏观模型在求解 Navior Stokes 方程时，往往忽略该非均匀结构,从而无法准确描述纳通道中的流体输运特性.
我们以纳米狭缝和圆管中的单相流体流动为研究对象,结合理论分析与分子模拟(MD/DPD),研究了受限空间中分子自扩散性质的各向异性，获得了自扩散系数随受限空间尺寸的变化规律(中国科学：化学，2015,45:42);考察了壁面疏液性质区流体分子排体积效应对沆体非均匀结构的影响，基于 Stokes 方程推导了 Couette 流、Poiseuille 流的滑移距离理论模型(Soft Matter, 2015， 11：6916）;综合考虑界面附近流体性质的非均匀性，推导了受限流体的运动方程,建立了受限空间尺才从原子尺度到宏观尺度的 Poseuille 流体通量计算模型，理论解释了纳米受限流体通量高于 Hagen-Poseuille 方程预测值的现象 (AIChE J，2017，63：834;Nanoscale, 2017， 9：6777)，在此基础上，设计了阔口(亲水)一窄口(疏水)的新型膜孔结构。初步研究发现阔口段孔壁亲水性存在最优值,最优的几何结构也与孔壁亲水性密切相关;基于圆柱孔假设,建立了包含孔径分布、弥散性质、吸附动力学等因素的多孔膜传质模型，模拟了硫脲接枝 PVDF 膜吸附 Au 的过程，在多种体系中模型预测结果与实验结果定量一致(Chem EngJ, 2017, 314: 700).
基于层状石墨烯膜体系,来用分子动力学(MD)模拟研究了毛细作用下流体输运的基本规律:沆体浸入速度基本符合 Lukas-Washburn 方程及其扩展形式，即液面上升高度与时间的1/2次方成正比;固定孔隙率条件下,受流体密度及滑移距离共同作用，通量呈现先增大后减小的变化规律，最优狭縫宽度约为 2 nm;随着纳通道长度的增加，流体通量由蒸发作用控制转为毛細作用控制;通过调整膜孔内表面及端面的浸润性，可以实现沆体通量调控，其中正润湿梯度可以提高流体通量,反之，则会阻碍流体通过，呈现纳流二极管的特点。