强关联与窄碳纳米管中的 Fickian 水扩散

我们利用原子分子动力学 (MD) 模拟研究了置于水分子浴中的开口碳纳米管内水分子的结构与动力学。该纳米管的尺寸仅允许内部存在单列水分子。通过计算对关联函数，我们量化了室温下纳米管内水分子呈现的类固态有序性。研究表明，即使在最长的观测时间内，纳米管内水分子的扩散模式也是 Fickian 扩散而非亚扩散。我们还提出了一种描述纳米管内水分子扩散的一维随机游走模型。我们发现，由随机游走模型计算得到的均方位移与 MD 模拟结果吻合良好，从而证实水分子在纳米管内经历正常模式扩散。我们将这种行为归因于强烈的位置关联，这种关联导致纳米管内的所有水分子作为一个整体集体运动。研究还表明，水分子在纳米管内的平均停留时间与纳米管长度呈二次方标度关系。