水流在旋转黑磷纳米管内轴向驱动特性

运用分子动力学方法模拟研究了旋转的黑磷纳米管对管内水流的轴向驱动特性,研究结果表明:手性黑磷纳米管在旋转时会驱动管内水分子沿轴向运动,运动方向由纳米管转向决定;管内水流的流速和驱动力会随着黑磷管转速的提高而增大.采用黑磷双壁Couette模型计算分析了水-黑磷界面的摩擦系数及滑移特性,阐明了黑磷表面天然的各向异性微结构是旋转黑磷管轴向驱动水流的本质原因.构建了在双层黑磷纳米管间填充水分子的模型,发现内外黑磷管同时旋转时,管间水分子的轴向运动会增强.纳米管半径也会对水分子的定向运动产生影响,具体表现为在相同转速下,随着纳米管半径的增大,管内水分子在轴向上的运动速度会减小,而受力则会增大;双壁黑磷纳米管在旋转时管内水分子的轴向运动情况和单壁黑磷纳米管模型差异很小,证明黑磷管层数对水流驱动效果的影响不明显;温度对水流驱动效果的影响规律取决于管内压强和温度对流固界面摩擦系数的耦合作用,当温度低于常温时水分子在轴向上的速度和受力会随着温度的升高而增大,当温度达到常温时则趋于平稳.研究结果可为基于黑磷纳米管的流体传动器件的设计和应用提供理论基础.