我们知道,大自然中的很多物质以纳米尺寸呈现时,它们的物理化学性质会出现奇异的变化,比如,铜不再具有导电性,金展现出强催化性,而石墨烯展现强导电导热性能等等。那么,在流体动力学中,水在通过纳米尺寸的管道时会有什么奇特的现象吗?
根据流体力学中泊谡叶方程,流体通过管道时遭遇的流阻R与管道半径r的四次方成反比(Q=π×r^4×Δp/(8ηL))。也即,流体通过纳米级别的窄孔时,流速就会非常慢。然而,在2005年,来自肯塔基大学的Mainak Majumder、Nitin Chopra以及Bruce J. Hinds和来自列克星敦能源应用研究中心的Rodney Andrews在Nature上发表了一篇文章(Nature,2005,438, 44),表明流体通过碳纳米管时的速度比从宏观流体动力学预测而得出的流速快了3-4个数量级。这在流体动力学领域引起了极大的关注。文章中对此现象的解释是:由于碳纳米管的管壁光滑,管壁与流体之间的摩擦力可以忽略不计,从而致使流速加快。而水流作为一种特殊层流,由于碳纳米管管壁疏水,管壁与水之间结合力非常弱,且水分子间有有序的氢键。因此,水通过碳纳米管时比其他流体速度更要快得多。