Nano lett. ：同轴碳纳米管纳米器件中的负热泳

【引言】

对热泳的研究为颗粒分离、温差沉降、药物递送、能量转换等应用领域的发展做出了许多贡献。之前研究从理论和实验两方面都证明了如富勒烯团簇、纳米管等纳米尺度的粒子能够沿着温度减少的方向运动。与之形成对比，负热泳则是诱导运动沿着温度增加方向的现象。近来的研究在实验当中成功观测到了液相负热泳现象，但是固相负热泳不论是在理论还是实验上均未被证实。

【成果简介】

2016年9月14日，Nano Letters网站在线发表了题为” Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices”的文章。该文章的第一作者是上海大学的Jiantao Leng，通讯作者为上海大学的张田忠教授。该课题组通过分子动力学（MD）模拟证明了负热泳现象在固-固界面上是确实存在的。

上海大学的研究人员将单壁碳纳米管（SWCNT）嵌套在两根分离并且温度不同的外管里，并以此来研究内部SWCNT的热泳运动。如图1的分子动力学模拟所示，当SWCNT内管的末端在两根外管之内（模型I）时，内管更偏向于正热泳；而当内管末端在外管之外（模型II）时，内管则会经历负热泳。由此，研究人员认为SWCNT的热泳运动方向是与器件几何学结构相互关联的。

【图文导读】

图1：分子动力学模拟模型

当SWCNT内管的末端在两根外管之内（模型I）时，内管更偏向于正热泳；而当内管末端在外管之外（模型II）时，内管则会经历负热泳。

图2：分子动力学模型中的热泳运动观测

（a）模型I的热泳运动快照；

（b）模型II的热泳运动快照；

（c）模型I在不同温度范围内的速度和位移图像；

（d）模型II在不同温度范围内的速度和位移图像。

图3：热泳运动驱动力研究

（a）模型I中的横向力分布（深色区域为外管位置）；

（b）模型II中的横向力分布（深色区域为外管位置）；

（c）模型I中区域II和V的力分布状况；

（d）模型II中区域II和V的力分布状况；

（e）模型I中内管末端区域的力分布；

（f）内管碳环数目。

图4：内管温度分布

（a）模型I内管的温度梯度；

（b）模型II内管的温度梯度。

图5：管间相互作用力示意图

当内管长度超出外管时，层间吸引力F_a将会出现在外管末端与内管超出外管的部分之间；而当内管末端与外管壁接触时则会诱发边缘力（edge force）F_e。

图6：温度与管间相互作用力的关系

(a)   图4f中I、III、 IV以及VI区域的层间吸引力（空心正方形）以及内管匀速运动相应的吸引力（实心正方形）；

(b)   层间吸引力与内管及外管温度的关联性；

(c) 边缘力与温度的关联性；

(d) 随机力（random force）能够帮助内管脱离势阱。

图7：驱动力与外管间距之间的关联性

理论预测与分子动力学模拟计算之间的高度契合证实了文中提到的驱动机制。

【小结】

自从百年前在液相中被发现以来，从质量输运到分子操控等领域均有大量关于热泳的研究。新近发现的固相负电泳则填补了重要的研究空白。此外，研究人员期望这一发现能够推动纳米尺度驱动以及能量转换等领域的应用发展。

文献链接：Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices（Nano lett., 2016, DOI:  10.1021/acs.nanolett.6b02815）

本文由材料人编辑部纳米组Shixiong Chern供稿，材料牛编辑整理。

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