Nano lett. ：同軸碳納米管納米器件中的負熱泳

【引言】

對熱泳的研究為顆粒分離、溫差沉降、藥物遞送、能量轉換等應用領域的發展做出了許多貢獻。之前研究從理論和實驗兩方面都證明了如富勒烯團簇、納米管等納米尺度的粒子能夠沿著溫度減少的方向運動。與之形成對比，負熱泳則是誘導運動沿著溫度增加方向的現象。近來的研究在實驗當中成功觀測到了液相負熱泳現象，但是固相負熱泳不論是在理論還是實驗上均未被證實。

【成果簡介】

2016年9月14日，Nano Letters網站在線發表了題為” Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices”的文章。該文章的第一作者是上海大學的Jiantao Leng，通訊作者為上海大學的張田忠教授。該課題組通過分子動力學（MD）模擬證明了負熱泳現象在固-固界面上是確實存在的。

上海大學的研究人員將單壁碳納米管（SWCNT）嵌套在兩根分離并且溫度不同的外管里，并以此來研究內部SWCNT的熱泳運動。如圖1的分子動力學模擬所示，當SWCNT內管的末端在兩根外管之內（模型I）時，內管更偏向于正熱泳；而當內管末端在外管之外（模型II）時，內管則會經歷負熱泳。由此，研究人員認為SWCNT的熱泳運動方向是與器件幾何學結構相互關聯的。

【圖文導讀】

圖1：分子動力學模擬模型

當SWCNT內管的末端在兩根外管之內（模型I）時，內管更偏向于正熱泳；而當內管末端在外管之外（模型II）時，內管則會經歷負熱泳。

圖2：分子動力學模型中的熱泳運動觀測

（a）模型I的熱泳運動快照；

（b）模型II的熱泳運動快照；

（c）模型I在不同溫度范圍內的速度和位移圖像；

（d）模型II在不同溫度范圍內的速度和位移圖像。

圖3：熱泳運動驅動力研究

（a）模型I中的橫向力分布（深色區域為外管位置）；

（b）模型II中的橫向力分布（深色區域為外管位置）；

（c）模型I中區域II和V的力分布狀況；

（d）模型II中區域II和V的力分布狀況；

（e）模型I中內管末端區域的力分布；

（f）內管碳環數目。

圖4：內管溫度分布

（a）模型I內管的溫度梯度；

（b）模型II內管的溫度梯度。

圖5：管間相互作用力示意圖

當內管長度超出外管時，層間吸引力F_a將會出現在外管末端與內管超出外管的部分之間；而當內管末端與外管壁接觸時則會誘發邊緣力（edge force）F_e。

圖6：溫度與管間相互作用力的關系

(a)?? 圖4f中I、III、 IV以及VI區域的層間吸引力（空心正方形）以及內管勻速運動相應的吸引力（實心正方形）；

(b)?? 層間吸引力與內管及外管溫度的關聯性；

(c) 邊緣力與溫度的關聯性；

(d) 隨機力（random force）能夠幫助內管脫離勢阱。

圖7：驅動力與外管間距之間的關聯性

理論預測與分子動力學模擬計算之間的高度契合證實了文中提到的驅動機制。

【小結】

自從百年前在液相中被發現以來，從質量輸運到分子操控等領域均有大量關于熱泳的研究。新近發現的固相負電泳則填補了重要的研究空白。此外，研究人員期望這一發現能夠推動納米尺度驅動以及能量轉換等領域的應用發展。

文獻鏈接：Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices（Nano lett., 2016, DOI:? 10.1021/acs.nanolett.6b02815）

本文由材料人編輯部納米組Shixiong Chern供稿，材料牛編輯整理。

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