Nature：碳納米管中的半徑依賴滑移流

【引語】

研究發現，由于水在碳納米管中運動時幾乎無摩擦，可以在其中高速通過，這使碳納米管在海水淡化、納米過濾和能源儲備等發面有著廣闊的應用前景。但水在碳納米管中的輸運機制和水–碳界面之間的相互作用機理尚未得到明確的解釋。

北京時間9月9日，Nature網站發表了一篇題為“Massive radius-dependent flow slippage in carbon nanotubes”的文章，論文作者為法國巴黎第七大學的Alessandro Siria和Lydéric Bocquet（共同通訊作者）等人。該論文對流體在碳納米管中的輸運機制和水–碳界面之間的機理進行了研究。

【成果簡介】

檢測具有確定半徑（R_t）和長度（L_t）的單層碳納米管（CNTs）和氮化硼納米管（BNNTs）需要克服兩個方面的難題。首先，當R_t減小至納米級別時，通過納米管的流速迅速下降致使難以檢測。該研究團隊通過觀測納米管外的流體射流解決了這一問題，管外流由R_t和在納米管口處的流體動量傳遞產生的驅動力F_p表征。第二個問題是，很難以納米管尖端突出成納米針的形式設計一個可操做和使用的單層納米管的實驗體系。該研究團隊通過控制納米管長度和直徑的方式克服了這一難題。

該團隊研究了5種不同尺寸的CNTs（R_t，L_t）?=（15，700），（17，450），（33，900），（38，800）和（50，1000）和三種不同尺寸的BNNTs（R_t，L_t）=（23，600），（26，700）和（7，1300）。研究發現，在單層納米管中，流速可以被精確測定，隨著流體從單層納米管中流出，水射流的力沒有分散。CNTs中出現依賴半徑的表面滑移，與CNTs具有相似晶體結構、不同電子結構的BNNTs沒有出現滑移現象，說明流體在物質邊界流動時與物質的原子性質有關。

【圖文導讀】

?圖1 噴流實驗裝置示意圖

（a）微孔膜底端密封后，CNT插入到微孔膜頂端的SEM圖像。

（b）從單層納米管中出來的Landau-Squire射流簡圖，紅色箭頭代表儲備的Landau-Squire射流，黃色球是示蹤粒子，z是光軸。

（c）左側為納米管從納米毛細管尖端流出示意圖，從納米管中出來的水分子流通過示蹤粒子探測；右邊為外部Landau-Squire射流的膠體示蹤劑軌道，顏色表用來量化示蹤粒子的速度。

圖2 Landau-Squire流的檢測

（a）CNT在不同ΔP下的速度場圖。

（b）在不同ΔP下的平均粒子速度圖，插入圖為急流軸方向的粒子速度圖。

（c）CNTs（綠色圓）和BNNTs（藍色三角形）和ΔP之間的相關性圖。

圖3 BNNTs和單層CNTs的滲透率、滑移長度

（a）CNTs（綠色）和BNNTs（藍色）的滲透曲線歸一化。

（b）CNTs（綠色）和BNNTs（藍色）滑移長度和R_t的關系。

【總結】

該論文重提被忽略的流體動力流和材料電子結構的關系，為縮小硬凝聚態物理和軟凝聚態物理之間的差距開辟了新的研究方向。

文獻鏈接：Massive radius-dependent flow slippage in carbon nanotubes (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature19315)

本文由材料人編輯部納米組朱曉秀供稿，材料牛編輯整理。

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