流体自扩散特性与表面润湿性的分子动力学研究

摘要

随着自然科学及工程技术向微型化发展，纳米尺度下流体输运性质研究备受国内外关注。当流体特征尺度达到纳米量级时，那些在宏观尺度上所得出的流体性质将不再成立，须从分子水平重新认识其微观机理。流体自扩散特性与表面润湿性是纳米科学技术研究中的重要问题。自扩散系数是反映流体输运特性的重要参数，很难采用实验手段测量得到。并且，作为流体输运性质的另一重要方面，流体在固体表面的润湿特性对微流体流动减阻具有重要工程应用前景。为此，本论文采用分子动力学方法研究了纳米尺度下流体的自扩散特性及其在固体表面的润湿特性。
　　基于分子动力学方法分别建立了自由空间和纳米尺度受限空间内流体的自扩散模型，采用径向分布函数对流体微观结构进行了表征，模拟了流体在这两种体系下的自扩散系数并进行了对比分析，同时从分子水平分析了温度、密度和受限尺度对自扩散系数的影响。对于纳米尺度受限流体，重点研究了壁面特性对其自扩散特性的影响。研究结果表明：流体无论是否受限，其分子密集度均随温度的降低、密度的增加而增加，且受限更能增强分子密集程度；流体自扩散系数均随温度的升高而增加，随密度的增加而逐渐减小，但在受限空间中，随着受限尺度的增大，自扩散系数逐渐增大，且其值始终小于相同温度和密度条件下自由空间所对应值。在纳米尺度受限空间中，壁面附近流体分子的自扩散范围远小于中心区域的流体分子；当壁面密度接近流体密度时，流体自扩散系数达到最大，并且较强的固流势能作用能明显减弱流体分子的自扩散行为。
　　另外，本文以平板形纳米通道为研究对象，建立了纳米通道内流体在固体表面润湿特性的分子动力学模型，模拟了流体与固体壁面之间的接触角，并结合流体分子在纳米通道内的分布及变化规律，重点探讨了壁面特性对润湿特性的影响。研究结果表明：当固流势能作用较强时，流体分子在壁面附近呈现出层状的有序性分布，增加壁面密度可增强这种有序性；当固流势能作用较弱时，壁面附近的流体分子数大大减少，容易导致低密度区和空隙的形成，此时壁面密度的增加可使低密度化和空隙化程度降低。随着固流势能作用的增强，流体与壁面的接触角逐渐减小，壁面逐渐由疏水性向亲水性转变；增加壁面密度可使壁面润湿性提前发生转变，即可增强亲水性，削弱疏水性，甚至使壁面的疏水性转变为亲水性。