水在石墨烯奈米狹縫中的自發性異常毛細流動：隨狹縫寬度變化之液體密度

Abstract

實驗上的研究發現，水在石墨烯奈米狹縫中流動異常地快速（高達每秒1公尺），這揭示了無滑移邊界條件下的Washburn方程式是無法用來描述此現象的。本研究使用分子動力學模擬來探索水在石墨烯奈米狹縫中的浸潤動力學。狹縫的寬度介於一到十層石墨烯寬。經過分析後發現，浸潤在奈米狹縫中的水的密度會隨著通道寬度而變。除此之外，我們也計算了水和石墨烯的界面張力、平衡接觸角，和奈米狹縫中穩定流的滑移長度。此滑移長度被發現會隨著通道寬度的增加而減小。自發性毛細管流動的分析結果顯示，水隨著時間的滲透高度在定性上會遵循Washburn方程式。此外，模擬得到的流速與文獻中的實驗結果是相當的。然而，浸潤速率隨著通道寬度的變化卻與Washburn方程式的預測不一致。不過，將滑移長度隨通道長度變化的關係引入後，Washburn方程式就可以合理地用來描述浸潤動力學。此與通道寬度相關的現象可以以水的狀態會隨著通道寬度而變化來解釋，而水狀態的變化可以透過分析在不同通道寬度下的水密度和氫鍵來展示。