中国科大提出一种普适理论模型

发布时间:2024-02-28 23:55:42 来源: sp20240228

   中新网 合肥11月23日电(记者 吴兰)中国学者在纳米通道气体输运的理论研究方面取得新进展,提出一种普适理论模型。国际著名学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)日前刊发该项成果。

  记者23日从中国科学技术大学获悉,该校工程科学学院近代力学系、中国科学院材料力学行为和设计重点实验室教授王奉超研究团队,提出普适的Knudsen理论模型,适用于一种定量描述纳米通道内的气体流量。

  纳米通道中气体输运,不仅在自然界中广泛存在,而且在膜分离、纳米催化、页岩气开采等工业过程中发挥着关键作用。

  纳米通道气体输运属于自由分子流状态。1909年,丹麦物理学家Martin Knudsen首次提出描述自由分子流气体流量的理论模型,即Knudsen理论。后经发展和完善,Knudsen理论成为定量描述自由分子流的核心理论。

  Knudsen理论的推导基于一个关键假设:气体分子在通道壁面上发生漫反射。然而,随着新材料的出现和观测技术的进步,实验研究发现在某些特定壁面上,尤其是原子级的光滑材料表面,气体分子更倾向于发生镜面反射。这种镜面反射现象导致通过纳米通道的气体流量显著高于Knudsen理论预测值。Smoluchowski给出的修正模型虽然试图调和不同粗糙度的固体壁面,但在对于石墨烯等原子级光滑壁面,其预测结果会发散至无穷大,与实际严重不符。因此,重新修正Knudsen理论以适用于更广泛的通道壁面,尤其是准确定量描述原子级光滑壁面通道内的气体流量至关重要。

  王奉超团队分析指出,该模型在处理光滑壁面通道时理论值发散的原因。不同于前人关注镜面反射对气体流量的增强效应,王奉超等人创新性地提出镜面反射减少气体耗散流量的研究思路。在此基础上,推导出了普适的Knudsen理论模型。

  研究人员介绍,该模型经过分子动力学模拟验证,证明其广泛适用于各种不同壁面粗糙度、不同横截面形状和尺寸的通道,为描述自由分子流提供了新的理论支持。(完) 【编辑:张子怡】