Nature：碳纳米管中的半径依赖滑移流

【引语】

研究发现，由于水在碳纳米管中运动时几乎无摩擦，可以在其中高速通过，这使碳纳米管在海水淡化、纳米过滤和能源储备等发面有着广阔的应用前景。但水在碳纳米管中的输运机制和水–碳界面之间的相互作用机理尚未得到明确的解释。

北京时间9月9日，Nature网站发表了一篇题为“Massive radius-dependent flow slippage in carbon nanotubes”的文章，论文作者为法国巴黎第七大学的Alessandro Siria和Lydéric Bocquet（共同通讯作者）等人。该论文对流体在碳纳米管中的输运机制和水–碳界面之间的机理进行了研究。

【成果简介】

检测具有确定半径（R_t）和长度（L_t）的单层碳纳米管（CNTs）和氮化硼纳米管（BNNTs）需要克服两个方面的难题。首先，当R_t减小至纳米级别时，通过纳米管的流速迅速下降致使难以检测。该研究团队通过观测纳米管外的流体射流解决了这一问题，管外流由R_t和在纳米管口处的流体动量传递产生的驱动力F_p表征。第二个问题是，很难以纳米管尖端突出成纳米针的形式设计一个可操做和使用的单层纳米管的实验体系。该研究团队通过控制纳米管长度和直径的方式克服了这一难题。

该团队研究了5种不同尺寸的CNTs（R_t，L_t） =（15，700），（17，450），（33，900），（38，800）和（50，1000）和三种不同尺寸的BNNTs（R_t，L_t）=（23，600），（26，700）和（7，1300）。研究发现，在单层纳米管中，流速可以被精确测定，随着流体从单层纳米管中流出，水射流的力没有分散。CNTs中出现依赖半径的表面滑移，与CNTs具有相似晶体结构、不同电子结构的BNNTs没有出现滑移现象，说明流体在物质边界流动时与物质的原子性质有关。

【图文导读】

 图1 喷流实验装置示意图

（a）微孔膜底端密封后，CNT插入到微孔膜顶端的SEM图像。

（b）从单层纳米管中出来的Landau-Squire射流简图，红色箭头代表储备的Landau-Squire射流，黄色球是示踪粒子，z是光轴。

（c）左侧为纳米管从纳米毛细管尖端流出示意图，从纳米管中出来的水分子流通过示踪粒子探测；右边为外部Landau-Squire射流的胶体示踪剂轨道，颜色表用来量化示踪粒子的速度。

图2 Landau-Squire流的检测

（a）CNT在不同ΔP下的速度场图。

（b）在不同ΔP下的平均粒子速度图，插入图为急流轴方向的粒子速度图。

（c）CNTs（绿色圆）和BNNTs（蓝色三角形）和ΔP之间的相关性图。

图3 BNNTs和单层CNTs的渗透率、滑移长度

（a）CNTs（绿色）和BNNTs（蓝色）的渗透曲线归一化。

（b）CNTs（绿色）和BNNTs（蓝色）滑移长度和R_t的关系。

【总结】

该论文重提被忽略的流体动力流和材料电子结构的关系，为缩小硬凝聚态物理和软凝聚态物理之间的差距开辟了新的研究方向。

文献链接：Massive radius-dependent flow slippage in carbon nanotubes (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature19315)

本文由材料人编辑部纳米组朱晓秀供稿，材料牛编辑整理。

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