西交大科研人员揭示纳米尺度水的流动之谜

纳米空间受限水的自发毛细流动现象广泛存在于致密油气开采、纳米多孔膜分离、太阳能辅助水蒸发等能源开发、转化与利用的工业过程中，其流动过程的基础理论研究会有助于相关过程的提质增效与节能减排。然而，由于表面效应、小尺寸效应等纳米尺度效应，纳米空间受限水完全有别于宏观体相水，经典流体力学理论通常不再适用。因此，如何通过充分考虑纳米尺度效应实现纳米空间受限水流动过程的理论描述就成为重要的学术难题。

受限于实验技术，目前对纳米尺度毛细流动的直接实验研究止步于10 nm。通过高精度大尺度分子模拟，西安交通大学绿色氢电全国重点实验室白博峰、孙成珍教授团队研究了特征尺度在亚纳米至30 nm间的纳米通道内水的毛细流动特性。研究发现纳米受限空间尺度减小将导致水的毛细流动能力低于经典Lucas-Washburn理论预测，且偏差随尺度降低而显著增加，符合常规实验发现。但当通道特征尺度继续降低至3 nm时，水的流动发生意料之外的逆转，表现出反常的流动增强特性，使得理论偏差不升反降。理论分析发现纳米受限水的结构依赖于受限尺度，并产生两种相反的尺度依赖效应，分别为能够增加流动阻力的长程粘性增强效应和增加流动动力的短程分离压效应，尺度效应的不匹配使得纳米尺度水的毛细流动表现出特异的非单调尺度依赖性，特别发现这种特异尺度依赖性广泛存在于亲水和疏水纳米通道中。通过引入分离压、对粘度进行尺度修正以及对其他纳米尺度效应（如动态接触角、壁面滑移）建模，建立了从纳观到宏观、纳秒到秒的多尺度时空统一的毛细流动理论预测模型，并通过大量分子动力学模拟和文献实验结果进行验证。

该研究全面揭示了毛细流动的尺度依赖性，打破了通道越小阻力越大流动越慢的固有认知，构建的毛细流动模型为纳米流体力学提供了统一的见解，标志着该领域向前迈出了重要一步，为纳米空间受限流体流动特性理论体系的进一步完善和以纳米尺度水分子快速输运和精准调控为基础的膜分离、能源转化等技术的开发与升级奠定了坚实的理论基础。评审专家评价该研究：“its results are compelling as they offer a unified theoretical framework for the spontaneous imbibition of nanochannels” “These results are of great importance for understanding and predicting nanofluidic flows”。

近日，该研究成果以《亲水纳米通道中异常渗吸与疏水纳米通道中快速流动的相互联系》（Interlink between Abnormal Water Imbibition in Hydrophilic and Rapid Flow in Hydrophobic Nanochannels）为题发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。西安交通大学绿色氢电全国重点实验室为第一单位和唯一通讯单位，孙成珍教授为论文唯一通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心和优秀青年基金等资助。

本团队长期从事纳米空间受限流体研究，在纳米尺度多相流动、传热传质及相变特性等基础研究方面取得了一系列重要研究成果，并应用于高效膜分离技术、致密油藏开采技术及新型能源转化技术的开发。研究成果发表于Physical Review Letters、ACS Nano、The Journal of PhysicalChemistry Letters、Physical Review Fluids等物理、纳米科学、物理化学、流体力学等领域国际著名期刊上。