納米空間受限水的自發(fā)毛細(xì)流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于致密油氣開(kāi)采、納米多孔膜分離、太陽(yáng)能輔助水蒸發(fā)等能源開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化與利用的工業(yè)過(guò)程中，其流動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)理論研究會(huì)有助于相關(guān)過(guò)程的提質(zhì)增效與節(jié)能減排。然而，由于表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等納米尺度效應(yīng)，納米空間受限水完全有別于宏觀體相水，經(jīng)典流體力學(xué)理論通常不再適用。因此，如何通過(guò)充分考慮納米尺度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)納米空間受限水流動(dòng)過(guò)程的理論描述就成為重要的學(xué)術(shù)難題。

受限于實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前對(duì)納米尺度毛細(xì)流動(dòng)的直接實(shí)驗(yàn)研究止步于10 nm。通過(guò)高精度大尺度分子模擬，西安交通大學(xué)綠色氫電全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白博峰、孫成珍教授團(tuán)隊(duì)研究了特征尺度在亞納米至30 nm間的納米通道內(nèi)水的毛細(xì)流動(dòng)特性。研究發(fā)現(xiàn)納米受限空間尺度減小將導(dǎo)致水的毛細(xì)流動(dòng)能力低于經(jīng)典Lucas-Washburn理論預(yù)測(cè)，且偏差隨尺度降低而顯著增加，符合常規(guī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。但當(dāng)通道特征尺度繼續(xù)降低至3 nm時(shí)，水的流動(dòng)發(fā)生意料之外的逆轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出反常的流動(dòng)增強(qiáng)特性，使得理論偏差不升反降。理論分析發(fā)現(xiàn)納米受限水的結(jié)構(gòu)依賴于受限尺度，并產(chǎn)生兩種相反的尺度依賴效應(yīng)，分別為能夠增加流動(dòng)阻力的長(zhǎng)程粘性增強(qiáng)效應(yīng)和增加流動(dòng)動(dòng)力的短程分離壓效應(yīng)，尺度效應(yīng)的不匹配使得納米尺度水的毛細(xì)流動(dòng)表現(xiàn)出特異的非單調(diào)尺度依賴性，特別發(fā)現(xiàn)這種特異尺度依賴性廣泛存在于親水和疏水納米通道中。通過(guò)引入分離壓、對(duì)粘度進(jìn)行尺度修正以及對(duì)其他納米尺度效應(yīng)（如動(dòng)態(tài)接觸角、壁面滑移）建模，建立了從納觀到宏觀、納秒到秒的多尺度時(shí)空統(tǒng)一的毛細(xì)流動(dòng)理論預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)大量分子動(dòng)力學(xué)模擬和文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

該研究全面揭示了毛細(xì)流動(dòng)的尺度依賴性，打破了通道越小阻力越大流動(dòng)越慢的固有認(rèn)知，構(gòu)建的毛細(xì)流動(dòng)模型為納米流體力學(xué)提供了統(tǒng)一的見(jiàn)解，標(biāo)志著該領(lǐng)域向前邁出了重要一步，為納米空間受限流體流動(dòng)特性理論體系的進(jìn)一步完善和以納米尺度水分子快速輸運(yùn)和精準(zhǔn)調(diào)控為基礎(chǔ)的膜分離、能源轉(zhuǎn)化等技術(shù)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。評(píng)審專家評(píng)價(jià)該研究：“its results are compelling as they offer a unified theoretical framework for the spontaneous imbibition of nanochannels” “These results are of great importance for understanding and predicting nanofluidic flows”。

近日，該研究成果以《親水納米通道中異常滲吸與疏水納米通道中快速流動(dòng)的相互聯(lián)系》（Interlink between Abnormal Water Imbibition in Hydrophilic and Rapid Flow in Hydrophobic Nanochannels）為題發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。西安交通大學(xué)綠色氫電全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位和唯一通訊單位，孫成珍教授為論文唯一通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金“能源有序轉(zhuǎn)化”基礎(chǔ)科學(xué)中心和優(yōu)秀青年基金等資助。

本團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事納米空間受限流體研究，在納米尺度多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及相變特性等基礎(chǔ)研究方面取得了一系列重要研究成果，并應(yīng)用于高效膜分離技術(shù)、致密油藏開(kāi)采技術(shù)及新型能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)。研究成果發(fā)表于Physical Review Letters、ACS Nano、The Journal of PhysicalChemistry Letters、Physical Review Fluids等物理、納米科學(xué)、物理化學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域國(guó)際著名期刊上。