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水在碳納米管中流動的新機制

作者：中國科學院成都有機化學有限公司來源：http://m.chun-tian.cn 日期：2015-08-11 08:59:35

清華大學微納力學中心暨XIN中心鄭泉水教授課題組在《自然-納米技術》上在線發表題為《由聲子調制的水在碳納米管內的輸運》(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的新機制。清華大學航天航空學院工程力學系2004級（博士）校友馬明（2010年博士畢業，后在英國倫敦納米技術中心和以色列特拉維夫大學做博士后）是該論文的第一作者，鄭泉水和瑞士日內瓦大學教授Francois Grey（2010-2013為清華微納力學中心教授）為論文通訊作者，清華大學工程力學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的L.M. Shen、以色列特拉維夫大學的M. Urbakh、清華大學微納力學中心的吳帥、澳大利亞Monash大學的J.Z. Liu、西安交通大學劉益倫等。參與研究的還有IBM的一個團隊和數以萬計的志愿者，是一個很有特點的國際合作研究項目。

(a)水在碳納米管內流動的示意圖；(b)本研究之前的實驗、理論和本研究的研究范圍。(c)流動阻力和流速之間的震蕩關系；(d)由水與碳納米管中聲子耦合引起的擴散速度的提高。

水資源危機是人類面臨的最重大危機之一。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引起的疾病。在過去十年間，與納米流動相關的研究已經在諸多重要領域產生了實際應用，例如海水淡化，納米級過濾以及基于滲透作用的能量轉換。其中，以碳納米管的研究和應用最為廣泛。這些領域均與解決水資源危機息息相關。因此，理解水在碳納米管中的輸運機制具有極其重要的意義。目前為止，盡管理論研究（例如分子動力學）已經在分子層面上揭示了許多該輸運現象的相關機制，但是獲得進一步的理解卻十分困難。這是因為理論研究中水流的速度要比實驗中測得流速至少高兩個數量級，該空白使得將理論研究成果直接用于實驗結果分析變得十分困難。

經過多年的努力，通過在IBM資助和上萬名志愿者幫助下完成的海量數據計算和分析，本研究首次彌補了該領域理論與實驗研究之間的空白，發現了在流速和壁面阻力之間存在震蕩關系。在此基礎上，本研究進一步揭示了水在碳納米管中流動的新機制，即該震蕩關系是由水分子的運動與碳納米管中聲子耦合所導致。該機制可以解釋許多新奇的現象，例如水在納米通道里流動，將形成本征的共振；這個本征共振，可大大提高溶在水中的其他元素的擴散（提高300%）。這項發現，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；也可以引導新的類型的過濾膜，為解決水資源危機做出貢獻。

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