气体分子在碳纳米管中的流动与振荡.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 2008 学术会议论文 编号：083493 气体分子在碳纳米管中的流动与振荡 吕勇军，陈民 （清华大学工程力学系，北京 100084 ） Tel ：010Email ：mchen@tsinghua.edu.cn 摘 要：采用分子动力学方法研究了N ，Ar 和 He 等气体在单壁碳纳米管中的流动。模拟结果表明在 2 模拟初期碳纳米管中的气体分子以较高的速度流动。统计碳管中分子的动能变化，结果发现三种气体 沿管轴方向的动能分布比较均一。对于N2 和 Ar ，平均分子动能要高于初始热动能，而对于He ，平均 热动能远低于初始热动能。在气体分子流动的臃塞阶段，发现在小口径碳管中分子进行着两种模式的 高频振荡，即轴向振荡和辐向振荡。 关键词：碳纳米管 流动 动能 振荡 1 引言 碳纳米管的势能表面非常光滑，这使得流经其中的流体的流速可以达到很高的值。 碳纳米管的这种特殊性能已经在纳米薄膜材料领域显示出很好的应用前景。Supple 和 Quirke [1,2] 采用分子动力学方法模拟了有机物癸烷被吸附进入碳纳米管的过程，模拟 表明分子在管内的流动速度最高可达 445 ms-1 ，这个速度可比于空气中的声速，研究还 发现通常用于描述毛细管内层流流动的 Washburn 方程在碳管中并不适用。Skoulidas [3] 也采用分子动力学方法计算了甲烷和氢气在单壁碳纳米管中的输运过程，与常用的硅沸 石等材料比较，碳纳米管中的甲烷和氢气的输运扩散系数要高出 3~4 个数量级。Sholl [4] 等人则认为上述的模拟中并没有考虑输运分子与碳纳米管分子之间的能量交换，这可能 会导致计算结果偏高。他们修正后的结果表明在零压力处输运扩散系数要减小一个数量 级，但是当压强增加到 1 bar 后刚性碳纳米管和柔性碳纳米管的值很接近。目前，关于 碳纳米管中流动问题仍然是纳米科学中的一个热点问题，人们不断地报道各种分子在管 中的扩散、粘性、结构等各方面的研究结果。 本文采用分子动力学模拟方法研究了N2 ，Ar 和He 等气体在单壁碳纳米管中的流动， 分析了流速、动能等流动特征，并研究了处于臃塞阶段的分子振荡规律。 2 模拟方法 在碳纳米管内的输运扩散研究中，形成稳定的分子流首先需要沿流动方向建立定常 的化学位梯度，这一般通过采用双控体积的巨正则分子动力学方法(DCV-GCMD)实现 [5,6]。 资助项目：国家自然科学基金项目( No.50701027) 1 图 1 气体分子流经碳纳米管的模拟示意图 然而，当流体的流速与分子的热运动速度可比时，DCV-GCMD 方法不再适用。本 模拟根据 DCV-GCMD 的思想，构建了如下的模拟系统：首先构造一个高压分子仓，分 子仓的 X 和 Y 轴方向采用周期性边界条件，在 Z 方向采用硬墙边界。然后，将一根单 壁碳纳米管插入分子仓一侧的硬墙中，如图 1 所示。模拟开始时，先将插入硬墙的碳纳 米管一端封闭，对分子仓中的气体分子在等温等压系综下进行趋衡处理，0.15 ns 后将封 闭的碳纳米管打开，模拟气体分子进入碳管的流动过程。在整个过程中，通过调节仓中 的分子数目保持分子仓的压强恒定。具体的做法是：当一个分子进入碳纳米管中，我们 就在分子仓中填补一个分子，要求由于填补分子而引起系统势能波动最小，这可以通过 网格有哪些信誉好的足球投注网站的方法实现。另一方面，如果一个分子从管内又返回到分子仓中，我们相应地 在距离端口附近较远的位置删除一个分子。碳纳米管的另一个端口连接一个Z 方向半无 限长的容器，这样可以近似认为出口附近为真空环境。因此，碳纳米管两端压强保持恒 定，进而获得定常的压强梯度。 模拟选用 N2 ，Ne 和 Ar 作为气体介质，其中将 N2 分子作为线性刚体处理。气体分 子之间，气体分子与 C 原子之间的作用势