纳米尺度下海水在方解石孔隙中的扩散输运特性：分子动力学研究揭示海岸带咸水入侵机制

为解析海岸带咸水入侵的微观机制，研究人员采用经典分子动力学（MD）模拟，探究3.5 wt%盐度海水在1.5 nm方解石孔隙中的扩散输运特性。研究发现不同方解石表面（104与100晶面）对Na+/Cl-扩散系数的差异化抑制效应，并通过平流-弥散模型预测海岸带Na+/Cl-浓度分异现象，为咸水入侵防治提供原子尺度理论支撑。

　　

随着全球气候变化加剧，海平面上升导致的海水入侵正严重威胁沿海地区淡水资源。传统防治手段如人工回灌或物理屏障往往治标不治本，其根本原因在于缺乏对咸水-矿物界面原子级相互作用的理解。尤其当海水渗透至纳米级方解石孔隙时，离子扩散行为如何受矿物表面结构调控？这一微观机制直接决定了宏观尺度咸水入侵的时空分布规律。

多伦多都会大学（Toronto Metropolitan University）的研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表的研究，通过经典分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，首次系统揭示了不同方解石晶面对海水离子扩散的调控机制。研究人员构建了1.5 nm宽的方解石狭缝孔隙模型，采用SPC/E（扩展简单点电荷）水模型描述水分子相互作用，Buckingham势函数模拟方解石晶体，并利用Lennard-Jones势和Ewald求和方法处理跨粒子作用力。通过分析298K和310K温度下的分子轨迹，结合平流-弥散（Advection-Dispersion）宏观模型，实现了从原子尺度到宏观尺度的跨维度关联。

系统配置
研究选取表面能最低的（104）晶面与高能（100）晶面构成对比体系。密度剖面显示，（100）表面通过拓扑结构与电荷分布特异性吸附Na⁺，形成局部离子浓度梯度，而（104）表面仅引起轻微扩散抑制。

海水在方解石孔隙中的扩散
MSD（均方位移）分析表明：水分子扩散系数在（104）孔隙中仅降低15%，而（100）孔隙中骤降40%。Na⁺在（100）表面的吸附使其扩散系数比Cl^-低3倍，这种离子特异性扩散在310K时更为显著。宏观模型预测显示，经10年渗透后，Na⁺/Cl^-浓度差异可在海岸线数米外形成明显分异带。

结论
该研究首次阐明方解石表面原子排列通过调控Na⁺特异性吸附影响咸水入侵动力学。相较于传统CFD（计算流体力学）模拟，MD方法揭示了（100）晶面电荷分布诱导的离子筛分效应，为设计矿物选择性屏障提供了理论依据。成果对预测沿海含水层盐化进程、优化人工回灌方案具有重要指导价值，被作者团队称为"理解咸水入侵的分子钥匙"。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如SPC/E、Buckingham等均保留原文格式；作者单位按国际惯例翻译并标注英文原名）