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文章合作者還包括澳大利亞悉尼大學(xué)的L.M. Shen、以色列特拉維夫大學(xué)的M. Urbakh、清華大學(xué)微納力學(xué)中心的吳帥、澳大利亞Monash大學(xué)的J.Z. Liu、西安交通大學(xué)劉益?zhèn)惖?。參與研究的還有IBM的一個團(tuán)隊和數(shù)以萬計的志愿者，是一個很有特點的國際合作研究項目。

 

 

(a)水在碳納米管內(nèi)流動的示意圖；(b)本研究之前的實驗、理論和本研究的研究范圍。(c)流動阻力和流速之間的震蕩關(guān)系；(d)由水與碳納米管中聲子耦合引起的擴(kuò)散速度的提高。

 

水資源危機(jī)是人類面臨的最重大危機(jī)之一。全世界有將近10億人缺乏飲用水，每年有上百萬人死于該危機(jī)引起的疾病。在過去十年間，與納米流動相關(guān)的研究已經(jīng)在諸多重要領(lǐng)域產(chǎn)生了實際應(yīng)用，例如海水淡化，納米級過濾以及基于滲透作用的能量轉(zhuǎn)換。其中，以碳納米管的研究和應(yīng)用最為廣泛。這些領(lǐng)域均與解決水資源危機(jī)息息相關(guān)。因此，理解水在碳納米管中的輸運機(jī)制具有極其重要的意義。目前為止，盡管理論研究（例如分子動力學(xué)）已經(jīng)在分子層面上揭示了許多該輸運現(xiàn)象的相關(guān)機(jī)制，但是獲得進(jìn)一步的理解卻十分困難。這是因為理論研究中水流的速度要比實驗中測得流速至少高兩個數(shù)量級，該空白使得將理論研究成果直接用于實驗結(jié)果分析變得十分困難。

 

經(jīng)過多年的努力，通過在IBM資助和上萬名志愿者幫助下完成的海量數(shù)據(jù)計算和分析，本研究首次彌補(bǔ)了該領(lǐng)域理論與實驗研究之間的空白，發(fā)現(xiàn)了在流速和壁面阻力之間存在震蕩關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步揭示了水在碳納米管中流動的新機(jī)制，即該震蕩關(guān)系是由水分子的運動與碳納米管中聲子耦合所導(dǎo)致。該機(jī)制可以解釋許多新奇的現(xiàn)象，例如水在納米通道里流動，將形成本征的共振；這個本征共振，可大大提高溶在水中的其他元素的擴(kuò)散（提高300%）。這項發(fā)現(xiàn)，可能可以解釋為什么生物體系納米通道可以形成很高的輸運；也可以引導(dǎo)新的類型的過濾膜，為解決水資源危機(jī)做出貢獻(xiàn)。