張忠強(qiáng) 李沖劉漢倫葛道晗程廣貴丁建寧2)

1)(江蘇大學(xué),微納米科學(xué)技術(shù)研究中心,鎮(zhèn)江 212013)

2)(常州大學(xué),江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心,常州 213164)

3)(大連理工大學(xué),工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116024)

(2017年11月10日收到;2017年12月22日收到修改稿)

1 引 言

水分子在納米通道中的滲透行為對(duì)生物組織的活性起著至關(guān)重要的作用[1,2].碳納米管(CNT)內(nèi)表面光滑,具有很好的疏水性及力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)特性[3?6],這些都為水在碳納米管中的流動(dòng)提供了天然的優(yōu)勢.研究水在納米通道中的流動(dòng)特性為藥物輸送、海水淡化、傳感器和納米水泵等納米器件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[7?11].

當(dāng)前流體在碳管中的傳輸,主要通過溫度驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)或電荷誘導(dǎo)、壓力驅(qū)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn).例如,在溫度梯度的作用下,由于毛細(xì)作用力的存在,正十烷液體可以被吸進(jìn)碳管并從溫度較高的一端噴出,實(shí)現(xiàn)正十烷在碳管中的連續(xù)驅(qū)動(dòng)[12].被限制在單壁碳納米管中的水銀柱在溫度梯度的作用下會(huì)快速地從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng),且溫度梯度越大水銀柱的運(yùn)動(dòng)速度越快[13].單鏈水分子能夠轉(zhuǎn)移通過(6,6)碳納米管這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來[14],如何誘導(dǎo)水分子單向、可控、連續(xù)地通過碳納米管成為當(dāng)前的熱門課題.在碳管外添加電荷,通過調(diào)整電荷的位置、大小及正負(fù)類型,使得水分子在外加電場的作用下進(jìn)入并轉(zhuǎn)移通過碳納米管,并且可以通過改變電荷的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)此種納米水泵的開關(guān)控制[15?17].壓力驅(qū)動(dòng)方式主要是在碳管的兩端形成壓力差,從而推動(dòng)水分子在碳納米管中傳輸.水分子能夠通過表面滲透進(jìn)入碳納米管并且滲透率隨著壓差的增加而增加,當(dāng)外加壓力達(dá)到臨界值時(shí)水分子不依靠表面擴(kuò)散機(jī)理也具有足夠的能量進(jìn)入碳管.因此,在外加壓力超過臨界值的情況下,滲透的水流量明顯增加并最終達(dá)到穩(wěn)定輸運(yùn)狀態(tài)[18].此外,振動(dòng)的懸臂碳納米管也能實(shí)現(xiàn)水分子的泵送,將碳納米管的一端固定,使碳納米管的其余部分受到一個(gè)垂直于碳納米管軸線且呈周期性變化的力,水池中的水分子在離心力的作用下能夠進(jìn)入振動(dòng)的懸臂并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)泵送[19].最近,Wang等[20]設(shè)計(jì)了一種納米螺旋水泵,將螺旋納米線嵌入碳納米管中,工作時(shí)碳納米管中的螺旋納米線作自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),以此帶動(dòng)水池中的水分子發(fā)生定向移動(dòng),水的流量與螺旋納米線的轉(zhuǎn)速呈正相關(guān).

截至目前,納米泵設(shè)計(jì)的核心部件主要是碳納米管和石墨烯的組合結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)并非由化學(xué)鍵連接構(gòu)成,這在一定程度上加大了實(shí)驗(yàn)中定位和組裝的難度.隨著制備石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的化學(xué)氣相沉積法工藝的日漸成熟[21,22],這種通過共價(jià)鍵將石墨烯和碳納米管連接為一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)為納米泵的設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇.當(dāng)前對(duì)石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究主要集中在熱學(xué)、力學(xué)和吸附特性方面[23,24],基于此復(fù)合結(jié)構(gòu)中水分子流動(dòng)特性的研究甚少.因此本文以石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)作為納米通道,研究了壓力驅(qū)動(dòng)作用下水分子在該復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透特性.

2 模型和模擬方法

采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法對(duì)水在石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了探索.模擬系統(tǒng)包括石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)、水和一層石墨烯擋板,如圖1(a)所示.在模擬過程中,將石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中上下兩個(gè)石墨烯平板設(shè)置為剛性,沿z軸正方向?qū)ο到y(tǒng)下方的石墨烯片層施加不同壓力來改變水池內(nèi)部的壓強(qiáng),使水在壓力驅(qū)動(dòng)作用下通過石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu).石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)模型中采用的碳納米管為(6,6)扶手椅型碳納米管,管徑為8.14 ? (1 ? =0.1 nm),管長為3 nm.系統(tǒng)中共包含2500個(gè)水分子,分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中選用TIP4P-EW水分子模型[23],模擬單元的總尺寸為5.0 nm×5.0 nm×24.0 nm.考慮電場作用時(shí),將相同電量的正負(fù)電荷分配到復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳納米管的部分碳原子及其對(duì)角線上的碳原子上,使整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)呈電中性,如圖1(b)所示[24].

所有分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算都是通過LAMMPS開源代碼完成[25].模擬計(jì)算在正則(NVT)系綜下進(jìn)行,系統(tǒng)溫度通過Nose-Hoover恒溫器維持在300 K,時(shí)間步長2 fs.每次模擬的時(shí)間為4.2 ns,前0.5 ns是弛豫階段,使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài),后面3.7 ns收集的數(shù)據(jù)用于分析研究.x軸和y軸方向?yàn)橹芷谛赃吔?z軸方向?yàn)楣潭ㄟ吔?水分子和碳原子之間的相互作用采用Lennard-Jones(LJ)勢函數(shù)描述,長程靜電相互作用使用PPPM(particle-particle particle-mesh)方法計(jì)算,其中LJ相互作用勢參數(shù)為σ=3.28218 ?和ε=0.11831 kcal/mol[24].LJ和庫侖靜電相互作用力之間的截?cái)喟霃椒謩e為10和12 ?.

圖1 (a)壓力驅(qū)動(dòng)作用下水和石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模型圖(綠色為石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu),中間的紅色和白色小球分別代表水分子中的氫原子和氧原子,青色為用來實(shí)現(xiàn)水池中壓力變化的單層石墨烯);(b)石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳管局部所帶電荷模型示意圖(藍(lán)色和黑色小球分別為帶相同電量正電荷和負(fù)電荷的碳原子,其余紫色碳原子不帶電)Fig.1.(a)Molecular dynamics model for pressure-driven water passing through CNT hybrid structure(the green component is the graphene-CNT hybrid structure,the red and white spheres in a block region are red hydrogen atoms and white oxygen atoms composing water molecules,the cyan plate is a single layered graphene sheet used to change the water pressure);(b)local view of the charged CNT model in the graphene-CNT hybrid structure with the equal positive and negative charges on carbon atoms(the blue and black spheres represent the carbon atoms with positive and negative charges,respectively,the purple carbon atoms are electrically neutral).

3 結(jié)果分析與討論

石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)通過共價(jià)鍵將碳納米管和石墨烯連結(jié)成一個(gè)整體.為了探究該復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊水分子滲透特性,首先構(gòu)建另外兩種石墨烯碳納米管組合模型,并對(duì)比研究壓力驅(qū)動(dòng)作用下三種模型的滲透特性.圖2所示為三種石墨烯碳納米管系統(tǒng)模型圖,從圖中可以看出,三種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于(6,6)碳納米管和上下兩層石墨烯上孔邊緣處的連接方式的差異.Case 1模型中,碳管的上下邊緣和上下兩層石墨烯孔邊緣處的碳原子并未通過共價(jià)鍵連結(jié)在一起,模擬過程中上下兩層石墨烯和碳納米管的上下邊緣處被設(shè)置為剛性.Case 2模型中,碳納米管的上邊緣與上層石墨烯孔邊緣的碳原子并未通過共價(jià)鍵連結(jié)在一起,但碳納米管的下邊緣與下層石墨烯孔邊緣的碳原子通過共價(jià)鍵連結(jié)在一起.Case 3所代表的結(jié)構(gòu)為石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu),即碳納米管上下邊緣處的碳原子分別與上下兩層石墨烯孔邊緣處的碳原子通過共價(jià)鍵連結(jié)成一個(gè)整體.為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,這三種結(jié)構(gòu)除在連結(jié)方式上存在差異外,其余條件均相同.三種結(jié)構(gòu)除碳納米管中間部分,其余部分均被設(shè)置為剛性,兩層石墨烯之間的距離(即碳管長度)約為3 nm.

圖2 三種石墨烯和碳納米管組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型.Case 1:碳管的邊緣處和石墨烯被設(shè)置為剛性,上下邊緣均未與石墨烯通過共價(jià)鍵相連結(jié);Case 2:碳管僅下邊緣和石墨烯通過共價(jià)鍵連結(jié)在一起;Case 3:石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.2.Three typical composite structures composed of graphene sheets and CNT.Case 1:the two rigid ends of the CNT are assembled to the graphene pores directly without the chemical bonds;Case 2:the bottom end of the CNT is connected to the graphene pore with the chemical bond while the top rigid end is assembled to the top graphene pore without the chemical bonds;Case 3:the graphene-CNT hybrid structure,i.e.,both ends of the CNT are connected to the graphene pores with the chemical bonds.

為了研究壓強(qiáng)對(duì)水分子在不同石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)行為及滲透特性的影響,對(duì)三種結(jié)構(gòu)模型下方的水池分別施加50,100,150,200 MPa的內(nèi)部壓強(qiáng).圖3(a)所示為滲透水分子個(gè)數(shù)隨模擬時(shí)間的變化曲線,可以看出石墨烯碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)(Case 3)在200 MPa壓強(qiáng)下滲透的水分子個(gè)數(shù)明顯多于其他兩種結(jié)構(gòu).Case 1和Case 2兩種石墨烯碳納米管結(jié)構(gòu)的滲透效果相近,這也表明石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)(Case 3)在出口處結(jié)構(gòu)的變化對(duì)水分子滲透效果的影響更加明顯.滲透率的定義為單位時(shí)間內(nèi)滲透通過的水分子個(gè)數(shù)[16].圖3(b)描述了水分子的滲透率隨壓強(qiáng)的變化.結(jié)果表明,當(dāng)壓強(qiáng)低于100 MPa時(shí),很少有水分子滲透通過這三種復(fù)合結(jié)構(gòu);當(dāng)壓強(qiáng)超過100 MPa時(shí),滲透通過的水分子明顯增多且石墨烯碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)(Case 3)水分子的滲透效果最為明顯.這表明石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)在相同壓力驅(qū)動(dòng)的作用下比另外兩種組合結(jié)構(gòu)的滲透率更高.

為了探究通過共價(jià)鍵連結(jié)的復(fù)合結(jié)構(gòu)Case 3和石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu)Case 1在入口處對(duì)水分子滲透行為的影響,對(duì)結(jié)構(gòu)入口處進(jìn)行了能障(potential of mean force,PMF)計(jì)算[26],即計(jì)算水分子沿著z軸方向通過模擬單元的各個(gè)位置時(shí)需要克服的能量fPMF.其計(jì)算公式為fPMF=?RTln[ρ(z)/ρ0][26],其中R為氣體常數(shù),T為溫度,ρ(z)為模擬單元中水沿著z軸方向的密度,ρ0為水在常溫常壓下的密度.為了簡化計(jì)算并提高計(jì)算精度,單獨(dú)取出水分子入口處模型進(jìn)行模擬,如圖4所示.該模型盒子的尺寸為3.0 nm×3.0 nm×6.0 nm,時(shí)間步長為1 fs,模擬時(shí)間為10 ns,前5 ns是弛豫階段,使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài),取后5 ns的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算(圖4(a)).對(duì)所有水分子沿著z軸正方向施加一個(gè)給定的力使水池內(nèi)的壓強(qiáng)保持200 MPa[27].

圖3 (a)三種不同的石墨烯碳納米管結(jié)構(gòu)模型在200 MPa壓強(qiáng)下滲透通過的水分子個(gè)數(shù)隨時(shí)間的變化;(b)滲透率隨壓強(qiáng)的變化Fig.3.(a)Number of water molecules passing through the structured model as a function of time at 200 MPa for three different graphene-CNT models;(b)permeability versus water pressure.

圖4 (a)計(jì)算水分子沿z軸方向通過各個(gè)位置時(shí)能障的分子動(dòng)力學(xué)模型;(b)石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu)模型;(c)石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)模型Fig.4.(a)MD model for calculating potential of mean force along the axial z direction of CNT;(b)graphene-CNT assembled structure;(c)graphene-CNT hybrid structure.

圖5 兩種石墨烯碳納米管模型中(a)水分子沿碳管軸線(z軸)方向的密度分布及(b)沿碳管軸線方向水分子運(yùn)動(dòng)的能障.GNAS:石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu);GNHS:石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.5.(a)Density distribution of the water molecules along the axial direction of CNT(z axis)and(b)PMF along the axial direction of CNT for two different graphene-CNT models.GNAS is the graphene-CNT assembled structure;GNHS is the graphene-CNT hybrid structure.

圖5(a)和(b)分別統(tǒng)計(jì)了水分子沿模擬盒子z軸方向的密度分布和通過z軸各位置時(shí)的能障.可以看出在靠近石墨烯碳管結(jié)構(gòu)時(shí),水的密度出現(xiàn)明顯波動(dòng),在其余各位置水分子的密度基本一致,說明水分子通過碳管管口處時(shí)出現(xiàn)了擁擠的現(xiàn)象.圖5(b)表明水分子通過兩種石墨烯碳納米管結(jié)構(gòu)附近時(shí)能障明顯增加,且通過共價(jià)鍵連結(jié)的石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的能障低于未通過共價(jià)鍵連結(jié)的石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu).說明水分子更容易通過石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu),這也解釋了在相同的壓強(qiáng)下石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的水分子滲透率明顯高于石墨烯碳納米管組合結(jié)構(gòu)水分子滲透率的原因(圖3).

圖6 (a)壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水的滲透率隨溫度的變化曲線;(b)壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水的滲透率隨碳管帶電原子帶電量的變化曲線Fig.6.(a)Variation in permeability of water with temperature at a pressure of 200 MPa;(b)Variation in permeability of water with the amount of charge carried by charged atoms of a carbon tube in a hybrid structure at a pressure of 200 MPa.

圖7 (a)壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水沿z軸方向的密度分布隨溫度的變化曲線;(b)壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水分子沿z軸方向轉(zhuǎn)移的能障隨溫度的變化曲線Fig.7.(a)Density of water molecules at various positions in the z axis at a pressure of 200 MPa;(b)PMF along the z axis of CNT at a pressure of 200 MPa.

水在石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透特性可能受到環(huán)境參數(shù)的影響,在控制水池內(nèi)部壓強(qiáng)為200 MPa的情況下,研究了溫度及電場作用對(duì)水分子滲透特性的影響.圖6(a)描述了水分子滲透率隨溫度的變化情況,該曲線表明水在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透率隨溫度的升高而增大.當(dāng)溫度低于200 K時(shí),幾乎沒有水分子滲透通過石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu);當(dāng)溫度超過200 K時(shí),開始有水分子滲透通過石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu);隨著溫度的繼續(xù)升高,水分子的滲透率近似呈線性增加.考慮電場作用時(shí),通過改變石墨烯碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳管上的碳原子所帶電荷量的大小來改變電場強(qiáng)度.結(jié)果表明,隨著電場強(qiáng)度的增加,水的滲透率明顯下降,如圖6(b)所示.說明電場強(qiáng)度的增加對(duì)水分子在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透起阻礙作用.設(shè)計(jì)基于石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米水泵時(shí),可以通過對(duì)碳管施加不同強(qiáng)度的電場來實(shí)現(xiàn)滲透性的調(diào)控.同樣,考慮水分子沿z軸方向的密度分布和PMF隨溫度的變化,對(duì)石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的滲透規(guī)律進(jìn)行解釋.從圖7(a)可以看出,隨著溫度的升高,水沿z軸方向的密度分布在碳管入水口附近出現(xiàn)了波動(dòng),且波動(dòng)峰值隨溫度的升高而降低;溫度為200 K時(shí)水分子在入口附近的能障明顯高于其他溫度的情況.如圖7(b)所示,當(dāng)溫度從300 K升高到500 K時(shí),水分子通過復(fù)合結(jié)構(gòu)入口的能障隨著溫度的升高呈緩慢降低的趨勢.以上結(jié)果一方面證實(shí)了溫度的升高可以降低水在石墨烯/碳管界面的類固體效應(yīng)(圖7(a)),從而減小了流固界面的摩擦,增大了水流的邊界滑移,進(jìn)而提升了水在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透率;另一方面,溫度的升高即為水分子動(dòng)能的增加,明顯降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)入水口的能障(圖7(b)),且在當(dāng)前壓強(qiáng)下滲透臨界溫度為200 K時(shí)的能障最高;當(dāng)突破該臨界溫度后,溫度對(duì)能障的影響減弱.對(duì)于施加電場情況下的能障計(jì)算,由于對(duì)石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中的碳管部分施加電場,所以統(tǒng)計(jì)了原子帶電量為0.2e,0.4e,0.6e,0.8e情況下,水分子沿z軸方向通過碳管部分的平均能障依次為13.63,13.77,14.33,15.14 kJ/mol.可以看出帶電原子的帶電量越大,水分子通過的能障越大,也就越難通過.

在單通道水分子滲透的基礎(chǔ)上,對(duì)水在雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透行為進(jìn)行了研究.圖8(a)所示為調(diào)整雙碳管軸心距d得到的水的滲透率在不同軸心距下的變化情況.研究采用的雙碳管軸心距d分別為0.98,1.7,2.4,3.4,4.1 nm,能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩管軸心距低于2.4 nm時(shí)水的滲透率緩慢降低,但高于單通道水分子滲透率(約100 molecule·ns?1)的兩倍,d為3.4 nm時(shí)滲透率進(jìn)一步降低且會(huì)逐漸接近單通道石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)滲透率的兩倍(圖8(b)).隨著軸心距d的繼續(xù)增大,滲透率逐漸降低.主要原因在于軸心距的變化會(huì)引起兩個(gè)碳管與石墨烯連接處的結(jié)構(gòu)變化(圖8(b)),從而導(dǎo)致能障的變化.為了探究雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)軸心距d對(duì)水分子在入口處滲透特性的影響,計(jì)算了水分子沿z軸正方向通過雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)的能障,如圖9所示.此處截取雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)入口處作為模型,加壓方式與圖4(a)所示相同,模擬過程中水壓保持200 MPa.可以看出水分子在雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)入口附近的能障隨碳管軸心距d的增加而增大,從而導(dǎo)致水分子的滲透率隨碳管軸心距的增加而降低.為了清晰地觀察水在入口處能障隨軸心距的變化,表1給出了水分子通過管口處(2.3—2.8 nm)的PMF數(shù)據(jù),可以看出軸心距越大,水分子在入口附近的能障越大.

圖8 (a)雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)(兩石墨烯片之間的距離為3 nm);(b)壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水的滲透率隨軸心距的變化曲線Fig.8.(a)Double CNTs in hybrid structure with the distance between two graphene sheets of 3 nm;(b)permeability of water varies with the distance between two carbon nanotubes’axes when the pressure is 200 MPa.

圖9 壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水分子沿z軸方向通過不同軸心距雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)的能障Fig.9.PMF along z axis for the double-CNT hybrid structure with different axis spacings when the pressure is 200 MPa.

表1 壓強(qiáng)為200 MPa時(shí)水分子沿z軸方向(圖9中2.3—2.8 nm)通過不同軸心距雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)的能障Table 1.PMF along z axis(2.3–2.8 nm in Fig.9)for the double-CNT hybrid structure with different axis spacings when the pressure is 200 MPa.

4 結(jié) 論

以石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)為滲透薄膜,研究了壓力驅(qū)動(dòng)作用下水在石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)中的滲透特性.通過與石墨烯碳管組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,揭示了復(fù)合結(jié)構(gòu)滲透性優(yōu)于組合結(jié)構(gòu)的本質(zhì)原因,并考慮了水壓、溫度、電場和雙管軸心距對(duì)水在復(fù)合結(jié)構(gòu)中滲透特性的影響規(guī)律.水的壓強(qiáng)越大,溫度越高,水分子滲透通過石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的滲透率越高;對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳管施加電場時(shí),水的滲透性隨著電場強(qiáng)度的增加而降低.通過計(jì)算水分子在通過復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)所克服的能障,解釋了復(fù)合結(jié)構(gòu)中入口處構(gòu)型、溫度、電場對(duì)水滲透特性的影響機(jī)理.在研究水滲透通過單通道石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,也對(duì)石墨烯雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行了探索.在雙碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)的軸心距較小時(shí),水的滲透率明顯高于單通道石墨烯碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩倍,隨著軸心距的進(jìn)一步擴(kuò)大,水通過復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳管通道單位橫截面積的滲透率與單碳管復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)一致.該研究結(jié)果將為納米尺度基于低維碳材料的流體器件設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

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