黑磷納米通道內(nèi)壓力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)特性*

張忠強(qiáng) 劉漢倫 范晉偉 丁建寧2) 程廣貴

1) (江蘇大學(xué), 智能柔性機(jī)械電子研究院, 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116024)

1 引 言

近年來(lái), 隨著微/納尺度技術(shù)的不斷發(fā)展, 越來(lái)越多的低維材料開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室并應(yīng)用于實(shí)踐中, 低維材料[1-3]在物理、化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等方面所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)良性能也推動(dòng)著微/納流體器件的發(fā)展, 使得微/納流體器件的生產(chǎn)與應(yīng)用成為可能, 例如: 微/納機(jī)電系統(tǒng)[4-6]、微/納生物傳感器[7]和微/納芯片[8]等.這些微納流體器件[9,10]可以進(jìn)入宏觀流體器件無(wú)法到達(dá)的區(qū)域, 并具有低能耗、高靈敏度和高精度等特點(diǎn), 但目前關(guān)于微/納流體器件的機(jī)理研究還處于探索階段, 需要進(jìn)行相應(yīng)的研究和補(bǔ)充, 而微/納流體器件中經(jīng)常涉及的問(wèn)題就是流體在納米通道內(nèi)的流動(dòng)特性[11,12]和流-固界面機(jī)理的研究[13,14].

黑磷[15-17]作為目前比較熱門(mén)的低維材料, 不僅具有特殊的光學(xué)、電學(xué)特性, 還具有高載流子遷移率及天然帶隙等特點(diǎn)[18].除此之外, 由于黑磷表面特殊的褶皺結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的各向異性也是一個(gè)非常值得深入研究的特性.目前關(guān)于黑磷各向異性的研究主要集中于力學(xué)[19]、電學(xué)[20]和光學(xué)[21]方面.Chen等[19]利用原子力顯微鏡測(cè)量放置在凹槽上的不同手性的黑磷納米帶的力學(xué)特性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿鋸齒型方向和扶手椅型方向上測(cè)得的理想彈性模量分別為65和27 GPa, 得到黑磷的力學(xué)性能會(huì)受到各向異性影響的結(jié)論.Liu等[20]將黑磷應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)管中, 通過(guò)將四對(duì)金屬接觸點(diǎn)按間距45°進(jìn)行放置, 研究各向異性對(duì)黑磷場(chǎng)效應(yīng)管的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑磷場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流會(huì)隨著角度的變化而變化.Xia等[21]分別將厚度為2-5 μm的黑磷薄膜按30°的間距進(jìn)行分塊, 并進(jìn)行紅外偏振處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同角度黑磷的波長(zhǎng)存在很大區(qū)別, 即各向異性可以對(duì)黑磷的光學(xué)特性產(chǎn)生影響.而目前關(guān)于各向異性對(duì)黑磷表面上流體流動(dòng)特性影響的研究卻很少, 需要進(jìn)行相應(yīng)的研究, 故本文利用黑磷構(gòu)建納米通道, 并研究各向異性等參數(shù)對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響, 為黑磷的進(jìn)一步發(fā)展以及在微/納流體器件中的應(yīng)用提供了理論研究基礎(chǔ).

2 模型和方法

本文選用的材料為單層黑磷, 黑磷是由磷原子通過(guò)sp3雜化形成褶皺狀的蜂窩結(jié)構(gòu), 其特殊的褶皺結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的各向異性是非常值得研究的內(nèi)容, 單層黑磷模型的尺寸為6.56 nm × 4.00 nm, 磷原子數(shù)為720, 參考石墨烯和碳納米管手性[22,23]的概念, 將各向異性的概念應(yīng)用于黑磷, 將黑磷溝槽走向與水分子流動(dòng)方向之間的夾角定義為手性角θ,考慮構(gòu)建周期性模型的需要, 邊界處的磷原子需要相互匹配, 目前, 本文只構(gòu)造了 0°, 37.4°, 66.6°和90°四種使得邊界處黑磷原子能夠匹配的不同手性的單層黑磷模型, 圖1(a)為單層黑磷的模型圖.為了研究各向異性等參數(shù)對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響, 將兩個(gè)平行的單層黑磷構(gòu)造成黑磷納米通道, 并在黑磷納米通道內(nèi)填充水分子組成本文使用的Poiseuille流系統(tǒng)模型圖, 如圖1(b)所示, 其中水分子的模型選用TIP4P模型, 不同于石墨烯的是, 單層黑磷的所有原子并不在同一平面上, 而是如圖1(b)所示的兩個(gè)平面, 這里使用藍(lán)色和綠色兩種顏色代表不同平面的黑磷原子.模擬系統(tǒng)在x和y兩個(gè)方向的尺寸分別為6.5和4.0 nm,兩個(gè)單層黑磷之間的垂直距離即為納米通道的寬度, 用H進(jìn)行表示, 對(duì)黑磷納米通道內(nèi)的水分子施加一個(gè)加速度gx, 形成Poiseuille流, 研究各向異性等參數(shù)對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子的Poiseuille流流動(dòng)特性的影響.

本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究各向異性等參數(shù)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子的Poiseuille流流動(dòng)特性的影響.整個(gè)模擬系統(tǒng)中,x和y方向設(shè)置為周期性邊界,z方向設(shè)置為固定邊界.首先需要對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行弛豫作用, 使得整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài), 系綜為正則系綜(NVT),時(shí)間步長(zhǎng)為1 fs, 弛豫步數(shù)為1000000, 使得模擬系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定在300 K.由于采用的是假設(shè)恒溫條件, 所以x和y方向采用Langevin恒溫器保持298 K的恒溫, 并且不考慮黑磷-水界面間的熱蠕變和溫度躍變.勢(shì)函數(shù)選擇方面, 選用Stillinger-Weber (SW)[23]勢(shì)函數(shù)描述黑磷原子之間的相互作用, 水分子模型選取改進(jìn)版的四位TIP4PEw模型[24], 通過(guò) particle-particle particle-mesh(PPPM)方法計(jì)算水分子之間的長(zhǎng)程庫(kù)侖勢(shì)作用,庫(kù)侖相互作用的截止距離為12 ?, 為了保持水分子的O-H距離和H-O-H鍵角的穩(wěn)定性, 這里選用SHAKE算法[25].黑磷與水分子的相互作用采用Lennard-Jones (L-J)勢(shì)函數(shù)進(jìn)行描述, 作用參數(shù)可以通過(guò)Lorentz-Berthelot混合算法計(jì)算,具體參數(shù)見(jiàn)表1[26,27].L-J作用的截止距離為10 ?.整個(gè)系統(tǒng)的模擬過(guò)程為5 ns (5 × 106步), 先用1 ns的時(shí)間進(jìn)行弛豫, 使模擬系統(tǒng)達(dá)到平衡, 接著對(duì)黑磷納米通道內(nèi)的水分子施加一個(gè)加速度, 使得水分子形成穩(wěn)定的Poiseuille流, 此過(guò)程持續(xù)時(shí)間為2 ns,最后2 ns用來(lái)輸出和計(jì)算處理分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的數(shù)據(jù), 對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到需要研究的參數(shù).

圖1 (a)單層黑磷模型圖, 其中手性角度θ指黑磷褶皺方向與水分子流動(dòng)方向夾角; (b)黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)的Poiseuille流模型圖Fig.1.(a) Monolayer black phosphorus models, chiral angle θ is the intersection angle between water flow direction adjacent the top plate and the ripple direction of BP monolayer; (b) poiseuille flow model of water molecules in black phosphorus nanochannels.

表1 L-J勢(shì)能函數(shù)的參數(shù)值Table 1.Parameter values of L-J potential function.

3 模擬結(jié)果討論與分析

3.1 驅(qū)動(dòng)力對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子的邊界滑移的影響

采用如圖1(b)所示的Poiseuille流系統(tǒng)模型,選用手性角度為0°的單層黑磷模型, 將兩個(gè)相同單層黑磷平行放置, 間隙設(shè)置為6 nm, 即納米通道的寬度設(shè)置為6 nm, 對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子沿x方向施加不同加速度(gx=1.0 × 1012, 1.5 × 1012,2.0 × 1012m/s2), 探究驅(qū)動(dòng)外力對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子Poiseuille流流體特性的影響.將黑磷納米通道內(nèi)的水分子進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì), 沿納米通道寬度方向按每層0.3 nm的高度對(duì)納米通道內(nèi)的水分子進(jìn)行分層, 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)每層內(nèi)的水分子進(jìn)行平均匯總, 得到如圖2所示的在不同驅(qū)動(dòng)外力作用下的黑磷納米通道內(nèi)水分子的速度分布圖, 從圖中可以看出, 在不同驅(qū)動(dòng)外力下, 黑磷納米通道內(nèi)的水分子沿納米通道寬度方向都近似為二次曲線分布, 滿足Poiseuille流的速度分布情況, 并且在邊界處出現(xiàn)輕微的滑移現(xiàn)象.已有研究表明[28,29],在恒外力條件下的牛頓平板Poiseuille流問(wèn)題中,可以在宏觀N-S方程的基礎(chǔ)上考慮線性邊界滑移條件, 進(jìn)行描述Poiseuille流中流體速度分布問(wèn)題.確有文獻(xiàn)[30]對(duì)壁面速度運(yùn)用高階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,但考慮到本模擬中邊界處數(shù)據(jù)曲線相對(duì)于擬合曲線并未出現(xiàn)太大波動(dòng), 而且本文重點(diǎn)在于研究黑磷各向異性的影響, 故采用假定線性邊界條件進(jìn)行處理.運(yùn)用Origin軟件對(duì)圖中的曲線進(jìn)行非線性擬合處理, 進(jìn)而得到各曲線關(guān)于水分子流動(dòng)速度與位置坐標(biāo)之間擬合的二次曲線方程式, 通過(guò)將邊界處水分子(最外層水分子)的位置坐標(biāo)代入方程式求得邊界滑移速度, 三種驅(qū)動(dòng)外力對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的滑移速度Vs分別為6.933, 9.956和13.491 m/s, 顯而易見(jiàn), 隨著驅(qū)動(dòng)外力增加, 黑磷納米通道內(nèi)邊界處水分子滑移速度也隨之增加, 從而對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子的流動(dòng)特性產(chǎn)生影響.

圖2 模型手性角度為0°時(shí)水分子的速度分布Fig.2.The velocity distribution of water molecules when the chiral angle of the model is 0°.

數(shù)密度分布曲線可以清晰地顯示出納米通道內(nèi)流體的分布情況, 對(duì)了解流體的流動(dòng)特性具有很大幫助.同速度分布曲線的獲得方法相同, 數(shù)密度分布曲線同樣需要對(duì)黑磷納米通道內(nèi)水分子進(jìn)行分層劃分, 分別對(duì)四組模型內(nèi)水分子按照層高為0.01 nm進(jìn)行分層, 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)每層的水分子數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 輸出數(shù)據(jù), 將每層獲得的數(shù)據(jù)除以所屬層的體積, 得到黑磷納米通道內(nèi)水分子沿納米通道寬度方向的數(shù)密度分布圖, 如圖3所示, 圖中y軸數(shù)密度的單位代表著每平方納米內(nèi)水分子的數(shù)目.可以看出, 曲線大致分為兩個(gè)部分,第一部分為兩邊靠近邊界處的曲線, 可以看出此時(shí)水分子的數(shù)目受到黑磷壁面的影響, 分布情況較為不均, 邊界處水分子發(fā)生密度堆積和分層現(xiàn)象, 出現(xiàn)“類固體”效應(yīng), 數(shù)密度分布曲線的第一個(gè)峰值即為邊界層, 而隨著距壁面距離的增加, 水分子的分布情況逐級(jí)平穩(wěn), 最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 即圖中的第二部分--平穩(wěn)曲線.從圖3的密度分布圖還可以看出, 壁面處的確出現(xiàn)了密度漲落, 從第一個(gè)峰值的放大圖可以看出, 水分子的數(shù)密度分布出現(xiàn)了輕微的差異, 但這種差異對(duì)結(jié)果影響很小, 而且水分子的速度曲線在邊界處的波動(dòng)較小, 剪切應(yīng)變率波動(dòng)也就很小, 根據(jù)公式(τ為剪應(yīng)力,μ為剪切黏性系數(shù),為剪切應(yīng)變率), 邊界處與通道中央處水分子的黏性差異較小.并且, 邊界層占通道寬度的比例較小, 因此本文仍采用通道寬度方向上的均勻化近似, 并用線性邊界滑移條件進(jìn)行了處理.

圖3 黑磷納米通道內(nèi)水分子沿通道寬度方向的數(shù)密度分布圖Fig.3.Number density distribution of water molecules along the channel width in the black phosphorus nanochannels.

3.2 各向異性對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響

在納米通道寬度不變的情況下, 研究各向異性對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子Poiseuille流流動(dòng)特性的影響, 分別使用手性角度分別為 0°, 37.4°, 66.6°和 90°的單層黑磷模型構(gòu)造黑磷納米通道, 在通道內(nèi)填充水分子組成四個(gè)不同的黑磷-水模擬系統(tǒng), 分別對(duì)四個(gè)模擬系統(tǒng)中的水分子施加三種不同加速度(gx=1.0 × 1012, 1.5 × 1012,2.0 × 1012m/s2), 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬計(jì)算,研究各向異性對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響.

3.2.1 各向異性對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子滑移特性的影響

如3.1節(jié)所述, 為了研究各向異性對(duì)邊界滑移特性的影響, 需要獲得納米通道內(nèi)水分子沿納米通道方向的速度分布圖, 針對(duì)四種不同手性的模擬系統(tǒng), 分別對(duì)黑磷納米通道內(nèi)的水分子施加不同的加速度(gx=1.0 × 1012, 1.5 × 1012, 2.0 × 1012m/s2),得到如圖4所示的速度分布圖(圖4(a)-圖4(c)包含三種手性角, 圖2為一種), 綜合比較可以看出, 從四個(gè)不同手性模擬系統(tǒng)中計(jì)算得到的速度分布圖都近似為二次曲線分布, 符合納米通道內(nèi)Poiseuille流的速度分布圖特征, 對(duì)四幅圖分別進(jìn)行非線性擬合后得到在施加不同加速度下對(duì)應(yīng)的四組非線性曲線, 使用與3.1節(jié)相同的方法, 分別計(jì)算得到不同手性模擬系統(tǒng)在施加不同加速度的條件下邊界處水分子的滑移速度VS(m/s), 如表2所列.從表中數(shù)據(jù)可以看出, 在不同手性模擬系統(tǒng)中, 隨著加速度值的增加, 邊界滑移速度都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì); 當(dāng)施加的加速度值相同時(shí), 隨著手性角度的增加, 黑磷納米通道內(nèi)邊界處的水分子的滑移速度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).圖4(d)給出了流-固界面相互作用勢(shì)能云圖, 可以看出, 黑磷表面特殊的褶皺結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致了其表面規(guī)則、粗糙的勢(shì)能分布, 從而影響了邊界處水分子的流動(dòng)特性, 這是造成黑磷表面各向異性流動(dòng)的內(nèi)在原因[31].

表2 不同手性情況中, 不同加速度對(duì)應(yīng)的水分子邊界滑移速度VS統(tǒng)計(jì)表Table 2.Statistical table of water molecule boundary slip velocity VS corresponding to different accelerations in different chiral conditions.

3.2.2 各向異性對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子黏度系數(shù)的影響

納米通道內(nèi)流體的黏度系數(shù)也是反映納米通道內(nèi)Poiseuille流的一個(gè)重要參數(shù), 尤其在許多的物理傳輸過(guò)程中扮演著非常重要的角色, 因此流體黏度系數(shù)的計(jì)算和研究也非常重要.不同于納米通道內(nèi)Couette流中使用剪切應(yīng)力比上剪切應(yīng)變率的方法, 在納米通道內(nèi)Poiseuille流的黏度系數(shù)通常通過(guò)對(duì)速度分布曲線擬合計(jì)算得到, 從圖4中可以發(fā)現(xiàn)黑磷納米通道內(nèi)水分子的速度分布曲線近似為二次分布, 符合Poiseuille流特征.根據(jù)Stokes方程[32]可以得到關(guān)于水分子流動(dòng)速度u(z)和位置坐標(biāo)z之間的關(guān)系式

式中z1,z2為黑磷壁面坐標(biāo),μ為黏度系數(shù).由于水分子密度參數(shù)ρ可以在模擬計(jì)算中得到, 加速度g為預(yù)先設(shè)定值, 水分子沿納米通道寬度方向速度分布關(guān)系式u(z)可以通過(guò)速度分布曲線擬合得到,故可以利用(1)式計(jì)算出水分子的黏度系數(shù), 通過(guò)對(duì)公式兩邊求二次導(dǎo)數(shù)并變形可以得到

圖4 速度分布圖及勢(shì)能云圖 (a) 模型手性角度為37.4°時(shí)水分子的速度分布; (b) 模型手性角度為66.6°時(shí)水分子的速度分布;(c) 模型手性角度為90°時(shí)水分子的速度分布; (d)模型手性角度為90°時(shí)的勢(shì)能分布云圖Fig.4.Velocity distribution diagram and potential energy cloud diagram: (a) The velocity distribution of water molecules when the chiral angle of the model is 37.4°; (b) the velocity distribution of water molecules when the chiral angle of the model is 66.6°;(c) the velocity distribution of water molecules when the chiral angle of the model is 90°; (d) potential energy cloud diagram when the chiral angle of the model is 90°.

對(duì)速度分布曲線擬合得到的曲線ux(z)可以描述為

其中u0和a可以在擬合中直接得到,z0為通道中心坐標(biāo), 故d2ux/dz2=2a, (2)式可以最終轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

針對(duì)不同手性的模擬系統(tǒng), 將不同的加速度值以及擬合速度分布曲得到的參數(shù)a代入(4)式中就可以計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的黏度系數(shù)μ(mPa·s), 如表3所列.從表中可以發(fā)現(xiàn), 不同手性的模擬系統(tǒng)在不同加速度條件下, 黑磷納米通道內(nèi)水分子的黏度系數(shù)幾乎保持不變.為了更直觀地表現(xiàn)出這一結(jié)果, 將表中數(shù)據(jù)匯總繪制出黏度系數(shù)方差圖, 如圖5所示, 從圖中可以清晰地看出, 隨著手性角度的增加, 黑磷納米通道內(nèi)水分子的黏度系數(shù)幾乎為一條直線, 不同手性的模擬系統(tǒng)中水分子的黏度系數(shù)值差別很小, 由此可以得出水分子的黏度系數(shù)值基本不隨手性角度變化而變化的結(jié)論.

表3 不同手性的模擬系統(tǒng)在不同加速度條件下的水分子黏度系數(shù)μ分布表Table 3.Distribution of water molecular viscosity coefficient μ of simulation systems with different chirality under different acceleration conditions.

3.3 通道寬度對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響

納米通道寬度也是影響納米通道內(nèi)Poiseuille流流動(dòng)特性的重要參數(shù), 為了研究納米通道寬度的影響, 分別構(gòu)建了通道寬度分別為H=3, 4, 5, 6 nm的四個(gè)模擬系統(tǒng), 其中單層黑磷選用手性角度為90°的黑磷模型(即黑磷褶皺方向垂直于水分子的流動(dòng)方向).四個(gè)模擬系統(tǒng)中的水分子被施加的加速度值gx都為2.0 × 1012m/s2, 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到如圖6的速度分布圖.從圖中可以看出,不同孔寬模型內(nèi)水分子的流動(dòng)符合Poiseuille流動(dòng)特征, 并且都在邊界處出現(xiàn)滑移現(xiàn)象, 通過(guò)對(duì)圖中曲線分別進(jìn)行非線性擬合, 結(jié)合邊界處水分子坐標(biāo)計(jì)算得到相應(yīng)的滑移速度, 如表4所列, 從表中可以發(fā)現(xiàn), 隨著通道寬度的增加, 通道內(nèi)水分子的邊界滑移速度隨之增加.

圖5 不同手性的模擬系統(tǒng)在不同加速度條件下的水分子黏度系數(shù)方差分布圖Fig.5.Variance distribution of water molecular viscosity coefficient of a simulation system with different chirality under different acceleration conditions.

表4 不同納米通道寬度內(nèi)水分子的邊界滑移表Table 4.Boundary slip of water molecules at different nanochannels widths.

圖6 不同納米通道寬度內(nèi)水分子沿通道寬度方向速度分布圖Fig.6.Velocity distribution of water molecules along the width of different nanochannel widths.

3.4 黑磷層數(shù)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響

黑磷層數(shù)也是研究黑磷納米通道內(nèi)Poiseuille流中需要考慮的一個(gè)參數(shù), 黑磷層與層之間的間隔為0.53 nm, 本分子動(dòng)力學(xué)模擬中所選用的L-J勢(shì)函數(shù)的截?cái)喟霃綖? nm, 故當(dāng)黑磷層數(shù)超過(guò)兩層時(shí), 最外層黑磷片對(duì)納米通道內(nèi)的水分子的影響幾乎可以忽略不計(jì), 故本節(jié)在單層黑磷納米通道的基礎(chǔ)上構(gòu)造雙層黑磷片組成的納米通道, 在其中填入水分子構(gòu)成Poiseuille流模擬系統(tǒng), 并考慮其對(duì)納米通道內(nèi)水分子流動(dòng)特性的影響.

選取手性角度分別為0°和37.4°的黑磷片構(gòu)建黑磷納米通道, 同樣對(duì)納米通道進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì), 獲取水分子沿納米通道寬度方向的速度分布曲線, 并與單層黑磷納米通道模型系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比, 得到如圖7所示的速度分布圖.可以看出, 當(dāng)對(duì)納米通道內(nèi)水分子施加相同加速度時(shí), 黑磷層數(shù)對(duì)水分子的流動(dòng)影響較小, 單層黑磷納米通道和雙層黑磷納米通道內(nèi)的水分子的速度分布曲線存在輕微差異, 整體趨勢(shì)基本一致.比較兩種情況下納米通道內(nèi)水分子的邊界滑移速度、黏度系數(shù)以及交互界面能等參數(shù), 如表5所列, 結(jié)果表明雙層模型相對(duì)于單層模型邊界滑移速度出現(xiàn)輕微減小, 黏度系數(shù)基本保持不變, 通過(guò)比較兩種模型的交互界面能, 發(fā)現(xiàn)雙層模型與水分子的界面能較單層模型輕微增加, 因此邊界滑移速度的輕微減小是由于交互界面能的增加所造成的, 通過(guò)比較不同手性模型的模擬結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn)黑磷的各向異性不受黑磷層數(shù)的影響.

圖7 不同層數(shù)模型對(duì)應(yīng)的速度分布圖Fig.7.Velocity distributions corresponding to different layer models.

表 5 不同黑磷層數(shù)納米通道模型中流固界面參數(shù)對(duì)比Table 5.Comparison of the interfacial parameters for the models with different BP layers.

4 結(jié) 論

以黑磷材料構(gòu)建納米通道, 基于Poiseuille模型研究了各向異性等參數(shù)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下黑磷納米通道內(nèi)水分子的滑移及黏度特性的影響, 探究了各向異性對(duì)黑磷-水流固界面的影響作用, 揭示了驅(qū)動(dòng)力、各向異性、納米通道寬度和黑磷層數(shù)等對(duì)納米通道內(nèi)水分子Poiseuille流流動(dòng)特性的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明: 隨著驅(qū)動(dòng)力的增加, 邊界滑移速度隨之增加; 各向異性也會(huì)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)作用下納米通道內(nèi)的水分子的流動(dòng)特性產(chǎn)生影響, 具體表現(xiàn)為邊界滑移速度會(huì)隨著手性角度的增加而減小,而水分子黏度系數(shù)卻不受各向異性的影響; 最后,在加速度值保持不變的情況下, 研究納米通道寬度和黑磷層數(shù)對(duì)水分子流動(dòng)特性的影響, 發(fā)現(xiàn)隨著納米通道寬度增加, 水分子滑移速度減小; 雙層模型中水分子的速度分布和沿通道寬度方向的數(shù)密度分布情況依舊與單層模型差異很小, 雙層黑磷與水分子之間交互界面能相對(duì)于單層黑磷也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì), 各向異性規(guī)律依然保持不變.