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Paper published on Physical Review E- 清水计算的首个成果

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发表于 2011-4-22 20:22:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
各位论坛的兄弟,

我很高兴哦告诉大家,基于清水计算所得结果的首篇文章已经发表在国际物理学界一流、主流期刊 Physical Review E(物理学评论E)上。再一次感谢大家对清水计算项目的关心,也希望今后我们能够有更好的研究成果呈现给大家,争取为解决水资源问题贡献出一份力量!

论文的全文可以从清华微纳米力学与多学科交叉创新中心中心网站上下载
http://cnmm.tsinghua.edu.cn/upload/2011/4/11619888.pdf
或者从Physical Revie E的官方网站上下载(下载需要权限)
http://pre.aps.org/abstract/PRE/v83/i3/e036316

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发表于 2011-4-23 00:21:34 | 显示全部楼层
好复杂……看不懂……
能不能给个中文简介,用简单的语言普及一下这篇paper说什么的……
发表于 2011-4-23 01:03:33 | 显示全部楼层
顶上~
用简单的语言讲一下。。。
发表于 2011-4-23 02:06:56 | 显示全部楼层
LZ,来个摘要吧,我看不懂,瞎高兴感觉也有点怪怪的
发表于 2011-4-23 07:23:05 | 显示全部楼层
翻译一下,啊哈~
发表于 2011-4-23 07:58:29 | 显示全部楼层
我的乖乖。。。。我来试一试看能不能翻译。。
不过鸭梨很大。。。
发表于 2011-4-23 09:34:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 fwjmath 于 2011-4-23 20:55 编辑

啊我主要不是学物理的,所以有什么理解错了的话请指出~~~

毛细现象听说过么?就是在一个装满水的杯子上面吊一块毛巾,毛巾下端放在杯子里的话,过一段时间毛巾没碰水的地方也湿了,这就是毛细现象。蜡烛能点亮,也是因为灯芯把融化了的蜡吸到顶部,腊才能汽化燃烧。

那么,液体是怎么顺竿爬的呢?像毛巾和灯芯这样子的材料,里边有着大量微小的管道,而棉花什么的对某些液体分子会相互吸引,水啊腊啊什么的就会因为这个吸引力,沿着大量的微小管道就爬上去了。这个时候,水能爬多高,取决于组成这些管道的分子与水分子之间的相互作用力。

这一点对于净化水也是很重要的。一种净化水的技术是反渗透技术。一个大池子用一张所谓“半透膜”隔开,其中一边是污水。这张“半透膜”相当于一个过滤网,只允许水分子通过,而不允许体积更大的污染物分子通过。于是如果我们想要清水的话,只要想办法让污水流过这张半透膜就可以了。

但是这件事情往往不遂人意,一般来说,如果不施加压力的话,污水是不会流过去的,这就是所谓的渗透压。另外,半透膜也可以看成是一堆微小管道组成的“毛巾”,如果不凑巧,水流通过这块“毛巾”的时候会受到很大阻力的话,那对净化水也不利。这些阻力来自水分子和管壁分子的相互作用。为了节省能源,我们想要知道,什么结构的半透膜阻力最小,阻力和水的通过速度又有什么关系。

这大概就是清水计算所要解决的目标。

清水计算研究了水在碳纳米管里的流动。碳纳米管如果孔径足够小的话,也是可以当作半透膜来使用的。

他们通过志愿者庞大的计算,发现水流过碳纳米管的速度和受到的阻力,无论碳纳米管的手性如何,尺寸如何,跟水分子“亲近”(吸引)还是“疏远”(排斥),都遵循一个反双曲正弦函数的关系。模拟所用的碳纳米管是双层碳纳米管,水分子就在内层碳纳米管中间流过。流速从0.8m/s到1400m/s。如果阻力是tau,流速是v的话,那么有以下关系:

tau/tau0=arcsinh(v/v0)

容易知道,当v趋向于0的时候,tau趋向于0。但是对于一般的材料来说,这是不成立的。一般的材料会有一个启动压力,要么是负的要么是正的,取决于材料和水分子互相吸引还是排斥。现在这样的现象,表明在碳纳米管中,至少在低流速时,水分子和管壁之间的相互作用神奇地“消失”了。

这一关系验证了此前Yang(我不知道是哪个Yang……)基于过渡态理论提出的关系式,说明这个抵消可能与热扰动有关。水分子在常温下,其实是会不停地“跳来跳去”的,太热了坐不住,所以不会在管壁附近逗留太长时间,也不会受到管壁的太多作用力。这就解释了为何相互作用会“消失”。这是在纳米尺度下才会出现的现象,在一般的尺度下,水分子的热扰动规模太小,不足以引起什么效应。

这对于对纳米尺度的流体力学来说,算是一个新发现。因为在纳米尺度,因为跟分子的大小差不了多远,不能将水流完全看成连续的函数,必须一个一个水分子考虑,这样的话,很多跟常规尺度不一样的事情就跳出来了。而这些研究难度在于如何去大规模而精确地模拟大量水分子的行为,这也就是用得上志愿计算的地方。这项发现可能会引起人们对于纳米尺度下的流体的更多研究。而在材料科学方面,也可以指引有关纳米管道中的流体的新材料发展和应用的方向。
发表于 2011-4-23 10:15:56 | 显示全部楼层
回复 7# fwjmath

我觉得差不多是这样吧。让污染物通过半透膜的话,是因为污染物的直径小于水吗?另外可能有些污染物(可能是某些原子)会和水成键,这样的话如何净化呢?因为感觉清水研究的只是水分子和管壁的作用在合适能够最佳,而不是清除和水成键的原子。关于这一点我有点不太清楚。。。(不是学化学的。。。)
发表于 2011-4-23 10:20:38 | 显示全部楼层
回复 8# xuyongchen

嗯,很多污染物直径都远大于水,尤其是大分子有机物啥的,所以水能通过的地方污染物未必能通过。当然了,有些污染物可能跟水分子大小差不多(我也不是学化学的所以不太清楚),这样的话大概要更复杂一些的过滤方法,离子交换树脂什么的吧……
发表于 2011-4-23 10:27:25 | 显示全部楼层
回复 9# fwjmath

感觉只能在一定程度上净化水,但是效果比不上蒸馏。。。。
一旦蒸馏的成本下来,清水的研究就只能成理论而没有应用的空间了。。希望清水能想办法看看能不能解决这样的问题,比如修改管的形状(不是学化学的不知道行不行,先提出来)或者用其他材料做管,让管壁对于其他的小污染物有很强吸引力之类(不过还要定期处理堆积的污染物,还是很麻烦)
发表于 2011-4-23 10:35:13 | 显示全部楼层
回复 10# xuyongchen

蒸馏很花钱……要把水弄热什么的……基本上成本不太可能下来吧我觉得……

如果知道有什么污染物的话,这个东西做简易的再生水也是没啥问题的,而且使用也方便~~~而且也不一定只用在水净化上~~~

再说了,这种基础科学的东西,现在这么快谈应用当然好,但是即使不谈应用也是值得研究的~~~
发表于 2011-4-23 10:41:30 | 显示全部楼层
回复 11# fwjmath


蒸馏诶。。。要降低成本也估计这能等太阳能了。
这个东西做再生水确实没有问题,相对而言已经挺干净了,提纯也比较适合。
这个当然是不论怎样都值得研究啦,就是害怕领导对于项目不能应用感到不爽,最后把项目给停掉~我就害怕这个。。。
发表于 2011-4-23 14:13:14 | 显示全部楼层
已用团队邮件通知大家计算成果,希望各位能继续坚持运算,加油
 楼主| 发表于 2011-4-23 21:07:01 | 显示全部楼层
回复 7# fwjmath
7楼解释的相当不错啊,我觉得我自己翻译的话也没有这么好.... 基本上就是这个意思了,还有一些细节上的东西,解释起来太琐碎了。总之,我觉得7楼翻译的很好了 :)
 楼主| 发表于 2011-4-23 21:13:11 | 显示全部楼层
回复 12# xuyongchen
11楼说到了点子上。现在海水淡化主要有膜过滤和蒸馏两种方法。但是蒸馏法由于成本问题,只在少数地区应用较广。就全球来说,八成左右为膜过滤方法。
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