西安交通大學科研人員揭示納米尺度水流動之謎

5月14日，記者從西安交通大學獲悉，該校綠色氫電全國重點實驗室白博峰、孫成珍教授團隊，關于特征尺度在亞納米至30納米間的納米通道內水的毛細流動特性的研究，全面揭示了毛細流動的尺度依賴性，打破了通道越小、阻力越大、流動越慢的固有認知，其構建的毛細流動模型為納米流體力學提供了統一的見解，標志著該領域向前邁出了重要一步。該研究成果近日以《親水納米通道中異常滲吸與疏水納米通道中快速流動的相互聯系》為題，發表在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》上。

據悉，該研究為納米空間受限流體流動特性理論體系的進一步完善、以納米尺度水分子快速輸運和精準調控為基礎的膜分離、能源轉化等技術的開發與升級奠定了堅實的理論基礎。

由于表面效應、小尺寸效應等納米尺度效應，納米空間受限水完全有別于宏觀體相水，經典流體力學理論通常不再適用。因此，有關納米空間受限水流動過程的理論描述成為重要的學術難題。受限于實驗技術，此前對納米尺度毛細流動的直接實驗研究止步于10納米。

白博峰、孫成珍教授團隊研究發現，納米受限空間尺度減小將導致水的毛細流動能力低于經典盧卡斯-沃什伯恩（Lucas-Washburn）理論預測，且偏差隨尺度降低而顯著增加。但當通道特征尺度降低至3納米時，水的流動發生逆轉，表現出反常的流動增強特性，使得理論偏差不升反降。

同時，白博峰、孫成珍教授團隊研究發現納米受限水的結構依賴于受限尺度，會產生兩種相反的尺度依賴效應，分別為增加流動阻力的長程粘性增強效應和增加流動動力的短程分離壓效應。尺度效應的不匹配使得納米尺度水的毛細流動表現出特異的非單調尺度依賴性，這種特異尺度依賴性廣泛存在于親水和疏水納米通道中。

通過引入分離壓、對粘度進行尺度修正以及對其他納米尺度效應（如動態接觸角、壁面滑移）建模，白博峰、孫成珍教授團隊建立了從納觀到宏觀、納秒到秒的多尺度時空統一的毛細流動理論預測模型，并通過大量分子動力學模擬和文獻實驗結果進行驗證。

納米尺度水的毛細流動非單調變化及流動理論模型對比。受訪者供圖

納米空間受限水的自發毛細流動現象廣泛存在于致密油氣開采、納米多孔膜分離、太陽能輔助水蒸發等能源開發、轉化與利用的工業過程中，其流動現象的基礎理論研究有助于相關工業過程的提質增效與節能減排。白博峰、孫成珍教授團隊長期從事納米空間受限流體研究，在納米尺度多相流動、傳熱傳質及相變特性等基礎研究方面取得了一系列重要研究成果，并將成果應用于高效膜分離技術、致密油藏開采技術及新型能源轉化技術的開發中。