受温度梯度驱动的水分在封闭粘土通道中的迁移

《Geoderma》：Water migration driven by temperature gradients in confined clay channels

水迁移机制及表面亲水性影响研究。采用分子动力学模拟，构建三种亲水性差异的黏土纳米通道模型，系统研究温度梯度（1.2-2.4 K/nm）与表面亲水性对水分子迁移规律及微观结构的影响。结果表明：单面亲水（Si-W-Al）通道的水迁移距离显著高于双面亲水（Al-W-Al）和双面疏水（Si-W-Si）通道，其中单面亲水通道的迁移距离是双面亲水的8.27倍，驱动力提升6.75倍；迁移距离与温度梯度呈先增后减趋势，峰值出现在1.2-1.8 K/nm区间；水分子形成氢键网络和沙漏状结构，表面亲水性通过增强氢键作用显著调控迁移行为。

　　在寒冷地区的土壤中，冰冻现象对基础设施造成严重影响，例如道路裂缝、隧道开裂以及地基沉降等。这些现象通常与“冻胀”（frost heave）密切相关，而冻胀主要由冰晶在土壤中形成并生长引起。冰晶的形成与水分子在温度梯度作用下的迁移密切相关，这种迁移过程在微观尺度上受到多种因素的影响，包括土壤颗粒的表面性质、温度梯度的大小以及整体环境温度。然而，目前对于水分子在土壤纳米通道中迁移的分子机制仍不明确，尤其是在温度梯度作用下的具体表现尚缺乏深入研究。因此，理解这些微观机制对于预测和预防冻土地区的工程病害具有重要意义。

本研究通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟方法，对不同温度梯度下水分子在受限黏土纳米通道中的迁移行为进行了系统分析。研究重点考察了温度梯度与通道表面润湿性对水分子迁移过程的影响。实验结果表明，水分子在温度梯度作用下会向较冷区域迁移，迁移距离随着温度梯度的增加先增大后减小，其最大迁移能力出现在温度梯度为1.2至1.8 K/nm之间。当温度梯度超过这一范围后，随着冷端温度的进一步降低，水分子的原子活动性减弱，迁移能力也随之受限。

此外，研究还发现，水分子在不同润湿性的通道中表现出不同的迁移行为。例如，单侧亲水通道（如Si-W-Al）中的水分子迁移距离显著高于双侧亲水通道（如Al-W-Al）和双侧疏水通道（如Si-W-Si）。具体而言，单侧亲水通道中水分子的迁移距离是双侧亲水通道的约8.27倍，而双侧疏水通道由于缺乏足够的驱动力，几乎不发生水分子迁移。这表明，通道表面的润湿性在水分子迁移过程中起到了关键作用。亲水表面能够与水分子形成更多的氢键（H-bonds），并促进水分子形成类似“沙漏”结构的分布模式，从而增强了水分子的迁移能力。相比之下，疏水表面与水分子之间的相互作用较弱，无法有效驱动水分子迁移。

在通道表面润湿性不同的情况下，水分子的迁移路径也有所不同。例如，在单侧亲水通道中，水分子更倾向于靠近亲水表面，形成较为稳定的水膜，并通过氢键相互作用维持其结构。而在双侧亲水通道中，由于两侧表面均具有较强的亲水性，水分子在通道中的分布较为集中，导致迁移距离相对较短。对于双侧疏水通道，水分子几乎无法形成稳定的水膜，因此迁移能力非常有限。这种差异反映了表面润湿性对水分子迁移路径和迁移效率的显著影响。

研究还进一步探讨了水分子在通道中的微观结构变化。在不同温度梯度和通道表面润湿性条件下，水分子的排列方式和氢键形成情况均有所不同。例如，在单侧亲水通道中，水分子在靠近亲水表面的区域表现出更大的分布宽度，而在中间区域则趋于紧凑。这种现象可能与水分子在亲水表面的吸附作用有关，因为亲水表面能够更有效地吸引水分子，形成稳定的结构。而在双侧亲水通道中，由于两侧表面均具有较强的亲水性，水分子的分布更为均匀，导致其迁移路径受限。相比之下，双侧疏水通道中水分子的分布较为松散，氢键形成较少，因此迁移行为受到显著抑制。

此外，研究还发现，温度梯度不仅影响水分子的迁移距离，还对其迁移速度和方向产生重要影响。当温度梯度处于1.2至1.8 K/nm之间时，水分子的迁移速度最快，且迁移方向明确。而在温度梯度较小时，水分子的迁移速度较慢，且迁移方向不够明显。这一结果表明，温度梯度的大小对水分子迁移的驱动力具有重要影响，但同时也受到整体环境温度的制约。当冷端温度过低时，水分子的原子活动性降低，导致迁移能力受限。

研究中还分析了水分子与黏土表面之间的相互作用力，即“界面相互作用力”（interfacial interaction force）。这一力在温度梯度作用下显著增强，尤其是在单侧亲水通道中，水分子与黏土表面之间的相互作用力达到最高水平。而双侧疏水通道中的水分子与黏土表面之间的相互作用力则几乎可以忽略不计，因此迁移行为受到极大限制。这些结果进一步验证了表面润湿性在水分子迁移中的关键作用。

总体而言，本研究通过分子动力学模拟方法，揭示了水分子在受限黏土纳米通道中的迁移机制。研究结果表明，温度梯度和通道表面润湿性是影响水分子迁移的两个主要因素。温度梯度为水分子提供了迁移的驱动力，而通道表面的润湿性则决定了水分子在迁移过程中的行为模式。单侧亲水通道由于其更强的吸附能力，能够显著促进水分子的迁移，而双侧疏水通道则几乎不发生迁移。这些发现为理解冻土中水分子迁移的微观机制提供了重要的理论依据，并为冻土工程中相关问题的解决提供了新的视角。

本研究的成果不仅有助于揭示水分子在土壤纳米通道中的迁移规律，也为冻土地区的工程设计和维护提供了科学参考。例如，在冻土区域建设基础设施时，可以利用这些研究成果优化土壤结构，减少冻胀对工程结构的破坏。此外，研究还表明，温度梯度的调控在水分子迁移过程中具有重要作用，因此在实际工程中，合理控制温度变化可能有助于降低冻胀风险。

从实验结果来看，水分子的迁移行为具有明显的非对称性，尤其是在单侧亲水通道中，水分子在冷端的迁移距离显著大于其他类型通道。这一现象可能与通道两侧表面润湿性的差异有关。在单侧亲水通道中，水分子在靠近亲水表面的区域形成较为稳定的结构，而在远离亲水表面的区域则更容易受到温度梯度的影响，从而发生迁移。而在双侧亲水通道中，由于两侧表面均具有较强的亲水性，水分子的分布更为均匀，迁移路径受到限制。这些结果进一步表明，通道表面的润湿性在水分子迁移过程中具有重要作用。

在工程实践中，理解水分子迁移的微观机制有助于开发更有效的冻土防护措施。例如，通过改变土壤颗粒的表面润湿性，可以调控水分子的迁移行为，从而减少冻胀对工程结构的破坏。此外，温度梯度的调控也可以作为减少水分子迁移的一种手段。通过合理控制温度变化，可以降低水分子的迁移能力，从而减少冻胀的发生。这些方法可能在实际工程中具有重要的应用价值。

综上所述，本研究通过分子动力学模拟方法，系统分析了水分子在受限黏土纳米通道中的迁移行为及其影响因素。研究结果表明，水分子的迁移受到温度梯度、环境温度以及通道表面润湿性的共同影响。温度梯度为水分子提供了迁移的驱动力，而环境温度则决定了水分子的活动性。通道表面的润湿性则进一步影响了水分子的分布模式和迁移效率。这些发现不仅有助于深入理解冻土中水分子迁移的微观机制，也为冻土工程中相关问题的解决提供了重要的理论支持。