纳米颗粒布朗扩散边界条件的分子动力学模拟

摘要

介观尺度下颗粒布朗运动的摩擦系数符合黏性流体力学边界条件,当颗粒尺度减小至纳米级别时,边界条件向滑移过渡;另一方面,随着颗粒尺度的减小,颗粒表面溶剂分子的吸附效应对颗粒水动力学半径的影响不可忽略.分子动力学模拟可以捕获纳米流体中颗粒与溶剂分子相互作用的微观细节且计算精度高.以刚性TIP4P/2005水分子模型为溶剂,建立不同大小的Cu纳米颗粒在水中扩散的全原子模型.采用单颗粒追踪方法对颗粒的平动和转动扩散系数进行拟合,将摩擦因子与黏性边界条件和滑移边界条件下的结果进行比较,并研究了溶剂在颗粒表面的吸附特性.研究发现纳米颗粒的平转动摩擦因子均在两种边界条件所预测的理论值之间,颗粒尺寸越小,溶剂分子的吸附越明显,颗粒表面的水分子层会增大颗粒的水动力学半径使得摩擦因子的计算结果偏向黏性边界,纳米颗粒尺寸约小于5倍溶剂分子尺寸时,需要考虑颗粒表面的溶剂层对颗粒水动力半径的影响.