中国学者在纳米通道气体输运理论研究取得新进展

记者23日从中国科学技术大学获悉，工程科学学院现代力学系、机械行为与材料设计重点实验室王凤超教授研究团队中国科学院提出了通用的努森理论模型，适合定量描述纳米通道。 内气体流动。

纳米通道中的气体传输不仅广泛存在于自然界中，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。

纳米通道气体传输属于自由分子流状态。 1909年，丹麦物理学家马丁·克努森首先提出了描述自由分子流气体流动的理论模型，即克努森理论。 经过随后的发展和完善，克努森的理论成为定量描述自由分子流的核心理论。

努森理论的推导基于一个关键假设：气体分子在通道壁上的漫反射。 然而，随着新材料的出现和观测技术的进步，实验研究发现，在某些壁表面，尤其是原子级光滑的材料表面，气体分子更容易发生镜面反射。 这种镜面反射现象导致通过纳米通道的气体流速明显高于克努森理论的预测。 尽管Smoluchowski给出的修正模型试图调和不同粗糙度的实体壁，但对于石墨烯等原子级光滑的壁，其预测结果将发散至无穷大，与现实严重不符。 因此，重新修改努森理论以适用于更广泛的通道壁，特别是准确定量地描述原子光滑壁通道中的气体流动至关重要。

王凤超团队的分析指出了该模型在处理光滑壁通道时理论值出现发散的原因。 与以往研究人员关注镜面反射对气体流动的增强作用不同，王凤超等人创新性地提出了镜面反射减少气体耗散流动的研究思路。 在此基础上，推导出通用的努森理论模型。

研究人员介绍，该模型经过分子动力学模拟验证，证明其广泛适用于不同壁面粗糙度、不同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。 （超过）