CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
温度及表面粗糙度影响纳米尺度下水蒸发速率和动力学行为的理论研究
郭雨薇
Subtype博士
Thesis Advisor方海平
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword蒸发 温度 热噪声 表面粗糙度 分子动力学模拟
Abstract水是生命之源,对人类的生存和生态可持续起到了重要的作用。水的蒸发是水循环中最重要的环节之一,是水资源再生的重要途径。在自然界和工业生产、人类生命活动中,水的蒸发几乎无处不在。从17世纪开始,科学家们就开始了对蒸发的一系列研究,借助实验手段观测蒸发的同时,也提出了许多与蒸发量及其影响因素相关的理论模型。随着研究水平的不断提高,研究尺度的不断缩小,大量的研究发现微观条件下界面水的蒸发与宏观水体的蒸发具有明显不同的特性。在微观纳米尺度下界面水会受到来自表面的相互作用以及水分子之间的相互作用,这就使得水的蒸发会受到更多因素的影响,从而水的蒸发变得更加复杂。此外,深入研究纳米尺度下水的动力学行为(如水中的热噪声及水分子的转动行为等)不仅有助于理解纳米尺度下水分子的蒸发性质,对于理解各种生化过程也具有十分重要的作用。影响界面水蒸发的因素有很多,比如最常见的温度、表面亲疏水性、表面热传导性、表面粗糙度、蒸发溶液的组成等等。本文利用分子动力学模拟的方法,首先研究了纳米尺度下温度对于少量水在平整亲水表面上蒸发的影响。对于体相水而言,水的蒸发速率随温度呈指数变化。然而我们的研究发现,在纳米尺度下,薄水层的蒸发速率的增长随着温度的升高逐渐变缓。并且厚度越薄的纳米尺度水层在平整亲水表面上的蒸发速率越慢。随着温度的升高,虽然最外层水分子的氢键寿命和转动自相关特征时间均逐渐减小,但是它们减小的趋势逐渐变缓。这是由于随着温度的升高,固体表面限制了最外层水分子的转动,一定程度上拉长了水分子的氢键寿命,水分子需要与预期相比更长的时间打破氢键网络而蒸发,因而蒸发速率的增长逐渐变缓。随着水层厚度变薄,这种限制作用更加明显,最外层水分子的氢键寿命和转动自相关时间都变得更长,因此蒸发变慢。这一发现对于我们缓解干旱以及避免植被在高温地区迅速失水都具有重要的帮助。水的蒸发本质上是热噪声和氢键网络的竞争结果。为了进一步探究温度对纳米尺度水蒸发的影响机理,我们分析了温度对水中热噪声、氢键和水分子转动性质的影响。在统计热力学中,体系的参考温度决定了体系内分子布朗运动的速度,进而影响着体系分子之间的碰撞,而体系分子受到的热噪声的关联时间是与该分子与周围分子相互碰撞快慢相关的,因此体系的温度可以通过体系的热噪声来体现。不同温度下水分子的氢键及转动特性也会改变进而影响着水的蒸发,水中热噪声的有限长关联时间与分子尺度下的定向运动又有着密不可分的关系,所以我们可以通过研究不同温度下热噪声的关联特性深入探索温度影响少量水蒸发的机理。基于分子动力学模拟,我们比较了不同温度下水中的热噪声自相关行为、氢键自相关行为以及转动自相关行为。发现水中热噪声固有的皮秒关联时间是来自于水分子的有限转动,并由氢键在其中起着桥梁的作用。此外,我们选择水中的氧原子所受的热扰动力来计算热噪声也很好地传达出了分子转动的信息。我们的发现对于理解纳米尺度下水分子在不同温度下蒸发的异常动力学行为有很好的帮助,并且有助于利用太赫兹技术观察和检测分子结构及动力学信息。此外,在真实世界中,大多数的固体表面并非理想中那么平整,通常为粗糙不平的表面。并且在纳米尺度下,具有粗糙度的表面通常会表现出不同的表面特性。采用分子动力学模拟,我们研究了表面粗糙度对于纳米尺度少量水在粗糙亲水表面上蒸发的影响。研究结果表明,少量水在粗糙亲水表面上的蒸发速率随粗糙度的增加先加快后变慢。同时水分子在粗糙亲水表面上的分布随着表面粗糙度会发生较大的变化。当表面粗糙度较低时,除了一部分水分子分布在表面的凹陷部分内,大量的水分子会铺展在表面的凸起部分。当表面粗糙度增加,最外层水分子受到固体表面吸引作用降低导致蒸发加快。当表面粗糙度继续增大,表面凸起部分上水的覆盖率逐渐减少,大量水分子分布在表面凹陷部分,这时最外层水分子受到表面凹陷部分的作用逐渐增大,蒸发变慢。当表面粗糙度较大时,水分子基本稳定分布在凹陷表面内,虽然最外层水分子受到表面凹陷部分的作用随粗糙度增加基本不变,但最外层水分子所形成的弯液面随着表面粗糙度的增大变得更加弯曲,一定程度上增加了液流蒸发的粘滞损失,从而使得蒸发速率随粗糙度近似线性下降。并且我们进一步的研究发现,降低表面的电荷量从而降低表面的亲水性并不会改变蒸发速率近似线性下降的趋势。这一发现有助于理解生物表面的蒸发,设计不同的表面提高蒸发速率,或水的富集等许多其他应用。
Pages123
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32469
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
郭雨薇. 温度及表面粗糙度影响纳米尺度下水蒸发速率和动力学行为的理论研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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