Redefining flow regimes in sub-nanometer carbon channels under life-scale confinement

物理 介观物理学 碳纳米管 范德瓦尔斯力 分子动力学 流量(数学) 化学物理 粘度 碳纤维 纳米技术 纳米尺度 流体力学 传质 纳米流体学 机械 能量转移 离子 输运现象 自由分子流
作者
Md Masuduzzaman,Chirodeep Bakli,Murat Barışık,BoHung Kim
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (9) 被引量:10
标识
DOI:10.1063/5.0284134
摘要

Non-continuum transport at the nanoscale reorganizes molecular dynamics by altering viscosity gradients, energy landscapes, and interfacial interactions, thereby accelerating mass transfer and reaction kinetics. Comparable phenomena occur in biological nanopores, such as ion channels and aquaporins, where confinement enables essential life-sustaining transport. In carbon nanotubes (CNTs) and other angstrom-scale channels, confinement induces molecular ordering, redistributes interfacial energies, and restricts diffusivity, lowering activation barriers, and enhancing directional transport efficiency. Motivated by these biological analogues, we employ molecular dynamics simulations to systematically compare sub-nanometer CNTs and rectangular channels, resolving the coupled influence of geometry, confinement, and interfacial forces on fluid behavior. CNTs exhibit substantially higher flow velocities and lower effective viscosities than rectangular channels due to strong van der Waals interactions, reduced interfacial friction, and the emergence of single-file molecular transport, leading to distinct deviations from continuum hydrodynamics. Rectangular channels, in contrast, support plug-like flow with elevated viscosities, highlighting the dominant role of wall–fluid coupling. Free-energy and friction analyses reveal that although CNTs present higher free-energy barriers, their molecular arrangement enables exceptionally rapid transport. These findings provide direct molecular-scale evidence of how confinement geometry governs transport at biologically relevant scales and establish a physics-based framework for mesoscopic models of non-continuum flows.
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