碳纳米管水分散液_水在碳纳米管中流动的新机制
碳纳米管水分散液_水在碳纳米管中流动的新机制
7月6日，清华大学微纳力学中心暨XIN中心郑泉水教授课题组在《自然-纳米技术》上在线发表题为《由声子调制的水在碳纳米管内的输运》(Water transport inside carbon nanotubes mediated by phonon-induced oscillating friction) 的研究论文，阐述了水在碳纳米管中流动的新机制。清华大学航天航空学院工程力学系2004级（博士）校友马明（2010年博士毕业，后在英国伦敦纳米技术中心和以色列特拉维夫大学做博士后）是该论文的第一作者，郑泉水和瑞士日内瓦大学教授Francois Grey（2010-2013为清华微纳力学中心教授）为论文通讯作者，清华大学工程力学系为论文的第一完成单位。
文章合作者还包括澳大利亚悉尼大学的L.M. Shen、以色列特拉维夫大学的M. Urbakh、清华大学微纳力学中心的吴帅、澳大利亚Monash大学的J.Z. Liu、西安交通大学刘益伦等。参与研究的还有IBM的一个团队和数以万计的志愿者，是一个很有特点的国际合作研究项目。
(a)水在碳纳米管内流动的示意图；(b)本研究之前的实验、理论和本研究的研究范围。(c)流动阻力和流速之间的震荡关系；(d)由水与碳纳米管中声子耦合引起的扩散速度的提高。
水资源危机是人类面临的最重大危机之一。全世界有将近10亿人缺乏饮用水，每年有上百万人死于该危机引起的疾病。在过去十年间，与纳米流动相关的研究已经在诸多重要领域产生了实际应用，例如海水淡化，纳米级过滤以及基于渗透作用的能量转换。其中，以碳纳米管的研究和应用最为广泛。这些领域均与解决水资源危机息息相关。因此，理解水在碳纳米管中的输运机制具有极其重要的意义。目前为止，尽管理论研究（例如分子动力学）已经在分子层面上揭示了许多该输运现象的相关机制，但是获得进一步的理解却十分困难。这是因为理论研究中水流的速度要比实验中测得流速至少高两个数量级，该空白使得将理论研究成果直接用于实验结果分析变得十分困难。
经过多年的努力，通过在IBM资助和上万名志愿者帮助下完成的海量数据计算和分析，本研究首次弥补了该领域理论与实验研究之间的空白，发现了在流速和壁面阻力之间存在震荡关系。在此基础上，本研究进一步揭示了水在碳纳米管中流动的新机制，即该震荡关系是由水分子的运动与碳纳米管中声子耦合所导致。该机制可以解释许多新奇的现象，例如水在纳米通道里流动，将形成本征的共振；这个本征共振，可大大提高溶在水中的其他元素的扩散（提高300%）。这项发现，可能可以解释为什么生物体系纳米通道可以形成很高的输运；也可以引导新的类型的过滤膜，为解决水资源危机做出贡献。
根据Web of Science - Journal Citation Reports提供的数据，Nature Nanotechnology的影响因子为34.048，在纳米科学与纳米技术类期刊排名第一（1/79），在材料科学多学科类期刊排名第二（2/259）。该杂志为月刊，每年发文量约为120篇。
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