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发表于 2011-4-23 09:34:39
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本帖最后由 fwjmath 于 2011-4-23 20:55 编辑
啊我主要不是学物理的，所以有什么理解错了的话请指出~~~
毛细现象听说过么？就是在一个装满水的杯子上面吊一块毛巾，毛巾下端放在杯子里的话，过一段时间毛巾没碰水的地方也湿了，这就是毛细现象。蜡烛能点亮，也是因为灯芯把融化了的蜡吸到顶部，腊才能汽化燃烧。
那么，液体是怎么顺竿爬的呢？像毛巾和灯芯这样子的材料，里边有着大量微小的管道，而棉花什么的对某些液体分子会相互吸引，水啊腊啊什么的就会因为这个吸引力，沿着大量的微小管道就爬上去了。这个时候，水能爬多高，取决于组成这些管道的分子与水分子之间的相互作用力。
这一点对于净化水也是很重要的。一种净化水的技术是反渗透技术。一个大池子用一张所谓“半透膜”隔开，其中一边是污水。这张“半透膜”相当于一个过滤网，只允许水分子通过，而不允许体积更大的污染物分子通过。于是如果我们想要清水的话，只要想办法让污水流过这张半透膜就可以了。
但是这件事情往往不遂人意，一般来说，如果不施加压力的话，污水是不会流过去的，这就是所谓的渗透压。另外，半透膜也可以看成是一堆微小管道组成的“毛巾”，如果不凑巧，水流通过这块“毛巾”的时候会受到很大阻力的话，那对净化水也不利。这些阻力来自水分子和管壁分子的相互作用。为了节省能源，我们想要知道，什么结构的半透膜阻力最小，阻力和水的通过速度又有什么关系。
这大概就是清水计算所要解决的目标。
清水计算研究了水在碳纳米管里的流动。碳纳米管如果孔径足够小的话，也是可以当作半透膜来使用的。
他们通过志愿者庞大的计算，发现水流过碳纳米管的速度和受到的阻力，无论碳纳米管的手性如何，尺寸如何，跟水分子“亲近”（吸引）还是“疏远”（排斥），都遵循一个反双曲正弦函数的关系。模拟所用的碳纳米管是双层碳纳米管，水分子就在内层碳纳米管中间流过。流速从0.8m/s到1400m/s。如果阻力是tau，流速是v的话，那么有以下关系：
tau/tau0=arcsinh(v/v0)
容易知道，当v趋向于0的时候，tau趋向于0。但是对于一般的材料来说，这是不成立的。一般的材料会有一个启动压力，要么是负的要么是正的，取决于材料和水分子互相吸引还是排斥。现在这样的现象，表明在碳纳米管中，至少在低流速时，水分子和管壁之间的相互作用神奇地“消失”了。
这一关系验证了此前Yang（我不知道是哪个Yang……）基于过渡态理论提出的关系式，说明这个抵消可能与热扰动有关。水分子在常温下，其实是会不停地“跳来跳去”的，太热了坐不住，所以不会在管壁附近逗留太长时间，也不会受到管壁的太多作用力。这就解释了为何相互作用会“消失”。这是在纳米尺度下才会出现的现象，在一般的尺度下，水分子的热扰动规模太小，不足以引起什么效应。
这对于对纳米尺度的流体力学来说，算是一个新发现。因为在纳米尺度，因为跟分子的大小差不了多远，不能将水流完全看成连续的函数，必须一个一个水分子考虑，这样的话，很多跟常规尺度不一样的事情就跳出来了。而这些研究难度在于如何去大规模而精确地模拟大量水分子的行为，这也就是用得上志愿计算的地方。这项发现可能会引起人们对于纳米尺度下的流体的更多研究。而在材料科学方面，也可以指引有关纳米管道中的流体的新材料发展和应用的方向。 |
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发表于 2011-4-22 20:22:34
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