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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    纳米空间受限流体的能质输运专题·编者按

    孙成珍
    1页
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    纳米空间受限气体动理学建模与输运机理

    单保超王润曦张勇豪郭照立...
    2-22页
    查看更多>>摘要：气体动理论是根据气体分子微观运动规律研究其宏观物理行为的理论,在航空航天、微机电系统、能源化工等领域有广泛应用.Boltzmann方程没有考虑分子自身体积并忽略除碰撞以外的其他分子间作用力,只适用于稀疏理想气体.本文从Boltzmann方程出发,层层递进,依次介绍稠密气体、真实气体以及纳米空间受限气体的动理学理论和建模方法及相关边界条件.相比于其他模型,纳米空间受限气体动理学模型能够准确描述分子间相互作用,在非平衡效应、高压真实气体效应以及空间受限效应可忽略时能够恢复至连续流体力学理论,是连接微观-介观-宏观等不同尺度的有效理论方法.结合数值模拟结果,本文着重介绍纳米空间受限气体输运中涉及的滑移现象和高压真实气体效应,并就纳米孔内页岩气输运机理进行分析.最后,探讨纳米空间受限气体动理学建模方面的局限性以及可能的发展方向.

    气体动理学Boltzmann方程稠密气体平均场空间受限气体

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    受限空间内超临界流体相分布的尺寸效应

    王艳谢剑徐进良董明...
    23-35页
    查看更多>>摘要：许多研究表明,超临界流体具有不均匀的分子结构.本文采用分子动力学方法,模拟了受限空间内类液(Liquid-Like,LL)、类两相(Two-Phase-Like,TPL)和类气(Gas-Like,GL)区超临界流体(Supercritical Fluid,SF)结构特征和相分布规律,分析通道尺寸和壁面润湿性对不同状态SF相分布的影响.研究表明,不同状态SF均在超疏水表面近壁区形成GL膜,随着壁面润湿性的增强,气膜逐渐消失,原子逐渐在润湿性较强的壁面聚集;润湿性较强的TPL流体的通道中部会形成明显的空隙及局部低密度的GL区,近壁区会形成LL膜.尺寸效应对近壁区原子密度振荡范围的影响可忽略不计,但随着通道尺寸减小,LL相近壁区流体的密度则呈现出增大趋势,该现象在GL相消失.不同通道尺寸对应含气率随温度的变化趋势一致,壁面润湿性对含气率的影响较小,随着润湿性的减弱,含气率均呈现出先增大后减小的变化规律,且不同通道尺寸对应不同的转折点.结合三维原子快照,从能量角度对SF的相分布特征进行分析,较大势能束缚原子运动,易形成高密度的LL区,而较低势能区原子易发生逃逸,形成低密度的GL区.本工作将有助于理解纳米通道内SF的结构及相分布规律,为SF微尺度设备设计和应用提供一定的理论基础.

    超临界流体分子动力学润湿性尺寸效应相分布

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    外表面电荷调控下的纳米通道离子输运性能

    张栩屈治国
    36-51页
    查看更多>>摘要：纳米通道离子输运在离子能量转换与存储、海水脱盐和离子传感过程扮演着重要作用,离子输运选择性和净通量受纳米通道表面电荷的强烈影响.目前研究主要基于实验和有限元模拟方法,而很少从微观分子尺度揭示外表面电荷对离子输运性能的影响.本文采用分子动力学方法,研究外表面电荷对纳米通道离子输运的调控机理.结果表明,外表面电荷加剧了纳米通道附近和内部的离子电荷不平衡,降低了纳米通道内电势,增强了唐南排斥效应.外表面电荷使纳米通道内水的流速趋于稳定,显著增强通道中心附近的水流速.外表面电荷增强了纳米通道中段的离子速度,在电场驱动作用下内外表面都带电的纳米通道表现出更高的Na+离子通量密度和离子选择性,其离子电导是仅内表面带电纳米通道的2.65倍.该结果丰富了离子输运调节微观理论,对纳米通道离子输运精准调控、离子能量转换和海水淡化器件设计具有指导意义.

    纳米通道表面电荷离子输运分子动力学能量转换脱盐

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    纳米孔内液体蒸发建模及不凝气影响研究

    李冉夏国栋
    52-61页
    查看更多>>摘要：纳米多孔介质内的液体蒸发过程及不凝气的影响机制是能源化工等工程领域中的关键科学问题,基于气体动理论分析了蒸气在纳米孔道内的流动阻力特征,结合Boltzmann方程矩方法建立了单组分蒸发的理论模型,采用直接蒙特卡罗方法模拟了含不凝气条件下的纳米孔蒸发过程,基于模拟数据构建了蒸发速率的预测关联式.结果表明:纳米孔的蒸发过程可分为孔内蒸气流动、孔外动力学运动和对流-扩散流动3个部分,孔隙率和蒸气所占孔道长径比对蒸发速率具有显著影响,孔隙率越大则不凝气对蒸发速率的影响程度越大,当气体段孔道长径比为2.5时液体蒸发速率可降低约50％.基于单组分模型和无量纲关联式的蒸发速率预测结果与直接蒙特卡罗模拟结果的相对误差基本为±10％.

    纳米孔蒸发不凝气直接蒙特卡罗模拟气体动理论

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    油-水-固三相接触线移动的温度影响机制

    郑文秀温伯尧白博峰
    62-71页
    查看更多>>摘要：温度会显著影响三相接触线的移动,从分子尺度获得接触线微观运动规律及温度影响机理,对深入研究纳米空间内的油水流动具有重要意义.本文构建了正癸烷-水-二氧化硅三相接触线的分子动力学模型,从接触线运动机制、分子取代频率及分子跳跃平均距离等角度,研究了不同三相润湿性时温度对三相接触线移动的影响.结果表明,油-水-固接触线在不同润湿性下呈现"翻转式""塞状式"和"剪切式"几种机制,导致接触线运动速度呈现逐渐上升至平稳、逐渐下降至平稳和趋于0几种不同的规律,温度升高并未改变上述运动机制及规律.温度升高会引起分子能量增大、吸附密度降低,从而使分子在吸附位点之间的取代频率升高,且"塞状式"机制下分子取代频率的增加幅度明显大于"翻转式",即在中等润湿性壁面时温度升高对三相接触线移动的促进作用大于亲水壁面.温度变化对分子跳跃平均距离的影响不大,温度升高导致分子取代频率的升高是加速接触线运动的主要原因.

    三相接触线温度分子动力学

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    复合结构纳米通道内溶质浓度梯度驱动的剪切流

    王新
    72-79页
    查看更多>>摘要：剪切流在工业生产及科学研究中有着重要作用.宏观上实现剪切流的方法依赖于机械运动部件以带动流体流动.而在微纳尺度,机械运动部件将会降低系统的稳定性,增加组装成本,不利于系统的微型化.本文提出了一种具有复合结构的纳米通道,通过调控纳米通道上下壁面与流体粒子及溶质粒子间的相互作用,实现了由溶质的浓度梯度控制的剪切流.研究表明,剪切流实现的物理机制在于扩散渗透原理:当溶质与壁面的相互作用强度大于溶剂与壁面间的相互作用,溶质被壁面吸附,流体由高溶质浓度区域流向低浓度;反之,溶质被壁面排斥,流体由低溶质浓度区域流向高浓度.通过调控溶质和溶剂与壁面间相互作用的差异及溶质的浓度梯度,可对纳米通道内剪切流的方向及大小进行精确控制.

    纳流控学扩散渗透剪切流

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    石墨烯表面气体扩散系数的原子模型

    周润峰孙成珍白博峰
    80-89页
    查看更多>>摘要：石墨烯表面的气体扩散是诸多应用中的关键过程,其机制不同于一般固体表面气体扩散,反而类似分子碰撞控制的体相扩散,但对应的表面扩散系数因吸附效应低于体相理论预估.本文针对石墨烯表面气体扩散系数开展了理论和分子动力学模拟研究,基于Chapman-Enskog方程提出了一种仅依赖原子势能参数的表面气体扩散系数预测模型,弥补了该领域的缺失.首先,通过分子动力学模拟研究了不同压力、流固作用下的石墨烯表面气体扩散系数,证明了表面吸附引起的表面数密度增加是导致现有理论预估出现偏差的原因;然后,直接从原子势能参数导出气体空间密度分布,解决了石墨烯表面数密度准确估计的问题并拓展Chapman-Enskog方程建立了石墨烯表面气体扩散系数的理论预测模型;最后,对理论模型的准确性加以验证,理论模型预测值和本文模拟结果的相对误差小于10％;同时,该模型也能很好预测文献中石墨烯表面实际气体的扩散系数,进一步证明了其有效性和实用性.

    扩散系数石墨烯表面吸附Chapman-Enskog方程

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    壁面作用对受限单层水结构和热导率的影响

    赵志翔孙楠靳永辉黄翔...
    90-99页
    查看更多>>摘要：受限于亚纳米通道中的单层水结构和热导率会因壁面作用而表现出与体相流体的显著差异.本文采用分子动力学方法并结合Green-Kubo公式研究了壁面作用对亚纳米通道受限单层水结构和热导率的影响规律.模拟结果表明,在不同壁面作用强度通道中,单层水热导率随水分子面密度增加都表现出了近乎相同的变化趋势,即先平缓增加、再快速上升、最后逐渐下降的趋势,但其峰值热导率及对应的面密度差异很大.分析发现,出现这一结果的原因是由于弱壁面作用通道对水分子的空间约束能力差,促使了高密度单层水形成褶皱结构,进而会削弱声子在水平方向的传递,从而导致较低热导率;相反,强壁面作用通道对水分子空间约束能力强,能使高密度单层水形成平坦结构,这种结构有利于声子传递,进而可产生更高热导率.不过,壁面作用对低密度单层水的结构和热导率的影响都较为微弱.总之,本研究发现了壁面作用对单层水结构和热导率的影响规律,揭示了单层水结构与热导率之间相互联系的物理机制,对丰富纳米受限流体热输运理论有重要价值和意义.

    单层水热导率亚纳米通道热输运纳米受限流体

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    多层级纳米通道实现高效离子选择性输运及盐差能发电

    马欣怡孙成珍
    100-110页
    查看更多>>摘要：盐差能广泛存在于江河入海口处,蕴藏量巨大.通过反向电渗析法可将盐差能直接转化为电能,因其利用过程简单无污染,近年来受到广泛关注.二维材料的出现为盐差能发电带来新的契机,规则的纳米孔道与丰富的官能团使得其对外输出功率超过了可商业化功率5 Wm-2;但目前大多研究中盐差能性能测试膜面积仅为3×104μm2,且当测试面积增加时,功率会大幅下降.本文通过简单的真空抽滤法构筑氧化石墨烯与二硫化钼(GO-MoS2)的2D-2D多层级结构,该结构使得离子选择性膜在较大的面积下仍能保持有序的层状结构,实现高通量高选择性的离子输运,最终输出较高的发电功率.同时,2D-2D结构有效地控制了二维材料膜入水溶胀的问题,提供丰富的表面孔洞与多级层间距,有利于离子的快速选择性运输.大面积膜(面积为3.14mm2,为传统研究的100倍)渗透能测试结果表明,GO-MoS2复合膜的渗透电压与渗透电流都表现优异,在100倍浓度梯度下可获得0.57Wm-2的功率,相较于纯GO薄膜提高了 92.7％.2D-2D多层级结构为构筑大面积且制备简单的高效离子选择性薄膜提供了新思路,可为二维材料在盐差能发电乃至海水淡化、气体分离、生物医学等领域的工业化应用提供参考.

    盐差能发电反向电渗析氧化石墨烯二维材料

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