当流体被限制在典型直径为几纳米的孔隙中时，它们的行为是不同的。实际上，这种情况在很多例子中都有体现。例如，水和碳氢化合物气体通过地壳中多孔的岩石渗透到地表。在具有纳米孔隙的天然材料和实验室合成材料中，流体在这种孔隙中的室温行为已经得到了广泛的研究。在低温下，人们对这种行为的理解相对较少。物质中分子的运动是物质状态的指示器——分子在液体、固体或气体状态下的运动方式不同。因此，观察物质中分子的运动可以揭示物质的状态。

中子散射实验是研究分子运动的一种方法。在这些实验中，一束具有已知能量和动量的中子轰击在待研究的材料上。中子被材料中的分子散射并被探测到。这些中子散射的方向和散射前后传播速度的差异，分别编码了被研究材料中分子的结构安排和运动的信息。特别是，中子最容易被氢原子散射，因此中子散射特别适合于研究含有氢原子的材料中的分子运动。例如，当碳氢化合物被限制在二氧化硅材料的孔隙中时，就会发生这种情况。当孔隙中含有烃类流体的多孔二氧化硅样品保持在中子束的路径上时，中子主要被孔隙内的烃类流体散射。在最近的一项实验中，我们使用该技术研究了丙烷(一种碳氢化合物)在低温下(高达10 K)被限制在1.5 nm宽的二氧化硅材料孔中的行为。通常情况下，丙烷在温度达到85 K时保持液态，低于85 K时它会凝固，形成晶体。从密闭丙烷分子运动的中子散射实验得到的信息，我们可以得出结论，在二氧化硅孔的约束下，丙烷在80k的低温下保持液态。进一步降低温度至30k或增加压力至3kbar，密闭丙烷就会凝固。 However, the solidified confined propane behaves more like a glassy rather than a crystalline solid. To understand the origin of this behavior, we conducted computer experiments using molecular dynamics simulations. In these experiments, molecular models of the material being studied are made and equations of motion for molecules in this model are solved numerically to obtain molecular trajectories. These molecular trajectories are akin to molecular movies in which behavior of molecules can be seen as time evolves. The results of these simulations indicated findings similar to those in the experiments. Further, the simulations suggested that the glass-like behavior of confined propane results from a disordered structural arrangement of propane molecules inside the silica pores. This is in contrast to normal solid propane at low temperatures in which molecules are arranged in a very well-ordered pattern forming a crystal. This combined study using neutron scattering and computer experiments thus sheds light on the low temperature behavior of confined propane and may help us understand the low temperature behavior of confined fluids in general.

哈斯Gautam
美国俄亥俄州立大学地球科学学院

出版

离线阅读:

相关文章:

	一个纳米孔获得电荷的速度有多快现代技术，如智能手机、电动汽车和各种电池供电的设备越来越需要高密度的电能存储单元来改善操作。超级电容器是一种新兴的高功率存储设备。
	温度对物理化学和生物…与传统结构和产品相比，多功能工程纳米材料扮演着全新的角色，这似乎是一个众所周知的消费世界的未来。这样的……
	固态材料的超长室温磷光…去除能量输入后在黑暗中发光的室温磷光(RTP)因其在生物成像、发光器件、信息存储和加密等方面的各种应用而受到广泛关注。
	DFT在高效超级电容器电极设计中的应用约瑟夫·麦克道尔曾经说过“化学是电子玩的游戏”。如果一个人能够了解角色，他们就可以控制游戏，揭开材料的奥秘……
	红外鼓室测温的有效性在高温下暴露于高太阳辐射会对体温调节造成挑战，并增加工人和锻炼个体患劳役热相关疾病的风险。堆芯温度监测在…
	可视化电双材料的不可见纳米结构由有机阳离子和有机(或无机)阴离子组成的离子液体由于其优异的化学和物理性能，在电化学材料中得到了广泛的应用。