由流体动力学滑移诱导的石墨纳米颗粒悬浮液负内离加速度
软凝聚态物质
2025-06-24 v1
摘要
颗粒悬浮液的粘度始终预期随颗粒浓度增加而增大。然而，对原子薄纳米材料如石墨的悬浮液实验表明，粘度值可低于纯溶剂。当在高剪切速率和低固体浓度下，部分实验显示悬浮液的有效粘度低于纯溶剂，即内离加速度为负。为解释这一现象，我们结合分子动力学和边界积分模拟，研究了在Péclet数>100的高Pe条件下，few-nanometer石墨片在水中的剪切粘度。我们的研究覆盖几何宽高比4.5至12.0，表明内离加速度随宽高比增大而减小，超过约5.5的阈值宽高比后变为负。我们证明，这种异常行为源于液体-固体界面发生流体动力学滑移，抑制了颗粒旋转，促进了与流动方向的稳定对齐，从而降低了黏性耗散相对于纯溶剂的耗散。这种滑移机制适用于分子模拟中探索的完全3D圆盘状和准2D颗粒几何形态。随着石墨颗粒浓度在稀薄 regime中的增加，粘度最初会下降，低于纯水。但在更高浓度下，颗粒聚集变得显著，导致粘度在达到最小值后再次上升。这些发现确认了仅由流体动力学效应引起的石墨悬浮液负内离加速度。我们的工作对设计可调粘度的润滑剂、油墨和纳米复合材料具有重要意义。
引用
@article{arxiv.2506.17397,
title = {Negative intrinsic viscosity in graphene nanoparticle suspensions induced by hydrodynamic slip},
author = {Adyant Agrawal and Catherine Kamal and Simon Gravelle and Lorenzo Botto},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.17397},
year = {2025}
}