作者：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司 來源：http://www.www.ttsy-cn.com 日期：2015-08-11 08:59:35
清華大學(xué)微納力學(xué)中心暨XIN中心鄭泉水教授課題組在《自然-納米技術(shù)》上在線發(fā)表題為《由聲子調(diào)制的水在碳納米管內(nèi)的輸運(yùn)》(Water transport inside carbon nanotubes mediated by phonon-induced oscillating friction) 的研究論文，闡述了水在碳納米管中流動(dòng)的新機(jī)制。清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系2004級(jí)（博士）校友馬明（2010年博士畢業(yè)，后在英國(guó)倫敦納米技術(shù)中心和以色列特拉維夫大學(xué)做博士后）是該論文的第一作者，鄭泉水和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授Francois Grey（2010-2013為清華微納力學(xué)中心教授）為論文通訊作者，清華大學(xué)工程力學(xué)系為論文的第一完成單位。
文章合作者還包括澳大利亞悉尼大學(xué)的L.M. Shen、以色列特拉維夫大學(xué)的M. Urbakh、清華大學(xué)微納力學(xué)中心的吳帥、澳大利亞Monash大學(xué)的J.Z. Liu、西安交通大學(xué)劉益?zhèn)惖取⑴c研究的還有IBM的一個(gè)團(tuán)隊(duì)和數(shù)以萬計(jì)的志愿者，是一個(gè)很有特點(diǎn)的國(guó)際合作研究項(xiàng)目。
(a)水在碳納米管內(nèi)流動(dòng)的示意圖；(b)本研究之前的實(shí)驗(yàn)、理論和本研究的研究范圍。(c)流動(dòng)阻力和流速之間的震蕩關(guān)系；(d)由水與碳納米管中聲子耦合引起的擴(kuò)散速度的提高。
水資源危機(jī)是人類面臨的最重大危機(jī)之一。全世界有將近10億人缺乏飲用水，每年有上百萬人死于該危機(jī)引起的疾病。在過去十年間，與納米流動(dòng)相關(guān)的研究已經(jīng)在諸多重要領(lǐng)域產(chǎn)生了實(shí)際應(yīng)用，例如海水淡化，納米級(jí)過濾以及基于滲透作用的能量轉(zhuǎn)換。其中，以碳納米管的研究和應(yīng)用最為廣泛。這些領(lǐng)域均與解決水資源危機(jī)息息相關(guān)。因此，理解水在碳納米管中的輸運(yùn)機(jī)制具有極其重要的意義。目前為止，盡管理論研究（例如分子動(dòng)力學(xué)）已經(jīng)在分子層面上揭示了許多該輸運(yùn)現(xiàn)象的相關(guān)機(jī)制，但是獲得進(jìn)一步的理解卻十分困難。這是因?yàn)槔碚撗芯恐兴鞯乃俣纫葘?shí)驗(yàn)中測(cè)得流速至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，該空白使得將理論研究成果直接用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析變得十分困難。
經(jīng)過多年的努力，通過在IBM資助和上萬名志愿者幫助下完成的海量數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，本研究首次彌補(bǔ)了該領(lǐng)域理論與實(shí)驗(yàn)研究之間的空白，發(fā)現(xiàn)了在流速和壁面阻力之間存在震蕩關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步揭示了水在碳納米管中流動(dòng)的新機(jī)制，即該震蕩關(guān)系是由水分子的運(yùn)動(dòng)與碳納米管中聲子耦合所導(dǎo)致。該機(jī)制可以解釋許多新奇的現(xiàn)象，例如水在納米通道里流動(dòng)，將形成本征的共振；這個(gè)本征共振，可大大提高溶在水中的其他元素的擴(kuò)散（提高300%）。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，可能可以解釋為什么生物體系納米通道可以形成很高的輸運(yùn)；也可以引導(dǎo)新的類型的過濾膜，為解決水資源危機(jī)做出貢獻(xiàn)。
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