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流体动力学在现实世界中的纳米级工作
发布于2007年4月19日星期四:16日
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News In 2000, 格鲁吉亚科技 研究人员表明,可以修改流体动力学理论,以在纳米级上工作,尽管真空。现在,七年后他们认为它可以被修改为在现实世界中工作 - 即在真空之外。结果出现在2月9日问题 物理评论信 (PRL).

了解流体的运动是当代生活中巨大的工程和技术的基础。飞机飞行和船舶航行,因为科学家了解水和空气在不同条件下的流动性的规则。


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描述这些规则的数学原则在100多年前提出,称为Navier-Stokes方程。他们是众所周知的,由该领域的任何科学家或学生都理解。但是,现在研究人员在小的一个重要问题中阐明了一个重要的问题:即,这些规则在纳米级测量流体和流量时如何工作?鉴于这种规模制度的材料的行为往往与宏观大小的表兄弟往往没有新的规则,是否存在相同的规则,这是有待发现的新规则吗?

众所周知,小型系统受到随机性和噪音的影响,比大型系统多。因此,佐治亚科技物理学家 Uzi Landman. 推断,修改Navier-Stokes方程以包括随机元素 - 这使得事件发生的可能性 - 将使它们能够准确地描述纳米级制度中的液体的行为。

写作2000年8月18日,科学问题,兰德曼和博士博士迈克尔摩泽尔使用的计算机仿真实验表明,随机Navier-Stokes配方确实为流体纳米喷嘴和纳米饰物在真空中工作。这项早期工作的理论预测已被欧洲科学家团队通过实验确认(见2006年12月13日,发出物理审查信)。现在,Landman和研究生威康已发现,通过进一步修改Moseler-Landman随机Navier-Stokes方程,他们可以在现实的非空间环境中准确地描述这种行为。

“有一个很好的看法,流体动力学理论将停止对小型系统有效,”计算材料科学,地区和学院教授,​​佐治亚理工学院的物理学中心主任Landman表示。“据认为,您可以做的所有事情都是广泛的,以及昂贵的,分子动态模拟或实验,并且不应用连续的流体动力学理论来解释这种小型系统的行为。“

新配方的益处是,与模拟流体纳米结构的日子和周相比,可以在几分钟内相对容易地解决这些等式,这可能含有多达数百万分子。同样困难,有时甚至更难,是在该制度降低尺寸的过程中的实验室实验。

在这项研究中,Landman和Wei模拟了一种液体丙烷桥,其是连接两个较大的液体体的细长流体结构,就像连接两个雨水坑的液体通道一样。桥梁直径六纳米,长24纳米。该目的是研究桥梁的崩溃。

在2000年进行的研究中,Landman在真空中模拟了一座桥梁。桥梁以对称的方式打破,在中间捏,每侧有两个锥体。这一次,模拟专注于具有围绕桥梁的氮气环境的模型,不同的气体压力。

当气体压力低(在2个氮气下的氮气下)时,突破发生在以前的真空计算机实验中它所做的更多方式。但是,当压力足够高(高于3.5个大气压)时,桥梁以不同的方式破坏了50%的时间。在高压下,桥梁倾向于产生长螺纹并在一侧或另一侧而不是中间的另一侧不对称地断裂。到目前为止,已经仅针对宏观大型液体桥和喷射器讨论了这种不对称的长线折叠配置。

分析数据显示,气态环境中纳米铁的不对称分解涉及分子蒸发和冷凝过程及其对纳米钻的形状轮廓的曲率的依赖性。

“如果桥在真空中,从桥蒸发的分子被吸引,并没有回来”兰德曼说。“如果桥周围有气体分子,则蒸发蒸发的一些分子将与气体碰撞,并且由于这些碰撞,散射分子可能会改变方向并回到纳米铁,并冷凝。“

当他们返回时,它们可能会填充其他原子已经蒸发的空间。换句话说,蒸发 - 冷凝过程用于沿着纳米润湿地重新分配液体丙烷,从而产生不对称的破损形状。压力围绕桥梁的压力越高,蒸发原子与气体碰撞并在纳米铁上凝结的概率越高。 Landman和Wei已经表明,这些微观过程可以包括在随机流体动力Navier-Stokes方程中,并且新改性方程忠实地再现原子分子动力学实验的结果。

“知道流体动力学理论,即我们周围的古老技术的基础,可以扩展到纳米级是根本性的,而且大救济是”兰德曼说“。特别是我们能够用它来描述纳米流体在非空心环境中的行为 - 自从我们预期这是大多数未来申请发生的地方。“

分手过程
在环境氮气(黄色)环境中,185 k处的丙烷液体桥(蓝色)的典型分解过程(密度为6:0 kg = m3,具有0.36mPa的相应部分压力),记录在MD中在T = 0(a),400(b),760(c)和840 ps(d)的模拟。分手轮廓如(d)所示,展示左侧夹住的长螺纹的几何形状。纳米铁的长度为30nm,其初始平均半径为3nm。

 

分手过程
在T = 0(a),200(b),400(c)和547 ps(d)的MD模拟中,在MD模拟中呈丙烷液桥的典型分解过程。分手轮廓如(d)所示,展示在顶点连接的两个锥体的几何形状并在中间夹紧。纳米铁的长度为30nm,其初始平均半径为3nm。注:桥接分子也有一些蒸发。

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