水的有序行为对亲水界面减阻影响的理论研究

Dynamics properties of fluid systems are of considerable interest in many areas ranging from micro-fluids systems and the desalination of sea water. Conventionally, we utilize the enhancement of hydrophobicity, perfect smoothness or surface coating of hydrophobic materials to reduce the viscous friction at the hydrophobic solid surface. However, many surfaces, such as bio-molecule surface, are hydrophilic. Water molecules are more difficult to transport on the hydrophilic surface than that on the hydrophobic surface due to the larger friction of the hydrophilic surface.Therefore, how to reduce the friction effect at hydrophilic surface is an important and interesting topic. In this project, on the basis of molecular dynamics simulations, we focus on the effect of ordered hydration water on the friction reduction of the hydrophilic solid surface. We mainly analyze the impact of ordered water on the velocity profiles, hydrogen bonds, self-diffusion constant and the friction factor. Based on the analysis, we try to provide the resolution on how to reduce the friction at hydrophilic surfaces. In addition, we plan to investigate the effect of ordered water on the friction reduction of some bio-molecules. These results will be of great benefit for understanding the fluid dynamics on the hydrophilic surface and the diffusion dynamics of the bio-molecules in water environment. We believe that the results would be also useful for the manufacture of micro-fluid devices, single molecule manipulation techniques and the implanted bio-lubrication materials design.

理解水的流动行为，对于研制微流动芯片、海水淡化等许多方面，有着重要意义。目前，一般通过提高表面的疏水程度及光滑程度来减少界面阻尼。但是，很多表面如生物大分子表面是亲水的，摩擦阻尼很大。那么，如何减小亲水界面上的摩擦阻尼呢？本项目使用分子动力学模拟方法，通过构建模型，研究亲水界面上的第一水合层，特别是其有序行为对界面摩擦阻尼的影响；结合统计物理与流体力学，找出亲水界面上影响摩擦阻尼的关键因素，并将之应用于亲水界面的减阻。我们将重点研究界面对有序水形成的影响，并通过分析流体的速度场，氢键组成，自扩散行为以及流动摩擦系数，来理解上述减阻效应。在此基础上，我们还将研究有序水对生物分子在水环境减阻效应的影响。这些研究对我们认识亲水的材料表面的水的流动行为至关重要，并对微流动技术、单分子操控技术，以及蛋白质或DNA分子在生物环境中的扩散行为和制造植入人体的生物关节的减阻有重要物理意义。

理解水的流动行为和界面阻尼，对于研制微流动芯片、海水淡化等许多方面，有着重要意义。目前，一般通过提高表面的疏水程度来减少界面阻尼。但是，很多表面如生物大分子表面是亲水的，摩擦阻尼很大。那么，如何减小亲水界面上的摩擦阻尼呢？本项目使用分子动力学模拟方法，通过构建库特流理论模型，并通过离散化处理界面水的流动阻尼，研究亲水界面上的第一水合层，发现其有序行为会减小界面摩擦阻尼和增大水的扩散系数，使得超亲水表面上的界面阻尼与一个比较疏水的界面阻尼相当。这是由于固液界面阻尼与第一/二层水之间的阻尼共同决定了界面的“等效阻尼”，虽然超亲水表面上的固体与第一层水之间的阻尼很大，但有序水层的存在导致第一第二层水之间的阻尼的降低也减小了界面的“等效阻尼”。这一发现为解决污水处理中的防污染过滤膜、植入人体器官以及船舶涂层等都有重要意义。另外，为我们上述研究中的材料尽快得到应用，我们进一步研究了常温下“不完全浸润的有序单层水”现象在现实中的可能存在，发现这一现象可能在金属表面上也存在，而这一现象也与表面的晶格结构和晶面都有紧密关系。这为这一反常浸润现象的相关应用，如亲水表面减阻材料的应用奠定了研究基础，但目前仍需要后续实验支持。最后，在基金的支持下，我们还针对纳米受限空间中溶质的溶解性质初步做了一些探讨。我们通过分子动力学模拟发现，一些双亲分子溶解在水中后，在特定的临界浓度范围内，该溶液体系内的溶质分子会出现聚集-离散两态共存的现象，即随着时间演化，聚集-离散态发生可逆转变现象，这与宏观现象完全不同。随着受限空间体积的增大，出现这种两态转换的溶质浓度区间逐渐减小。进一步地，通过建立理论模型，并进行自由能分析，我们发现，该现象归因于纳米尺度受限空间下的低的自由能势垒，使得两态之间在热运动影响下容易发生相互转变，从而使得溶液中的溶质分子出现聚集-离散两态之间的可逆转变现象。