纳米流体热传输机制的分子动力学解析：温度、纳米颗粒尺寸与浓度效应的多尺度研究

本研究通过结合平衡与非平衡分子动力学(EMD/NEMD)模拟，系统探究了SiO2/水和Si3N4/水纳米流体中温度、纳米颗粒(NP)尺寸与浓度对热容(Cp)、热扩散率(TD)及导热系数(TC)的影响机制。研究发现NP尺寸增大使Cp提升19.7%，而界面声子耦合通过降低固液界面热阻显著增强TC，为纳米流体在高效传热领域的优化设计提供了原子尺度理论支撑。

　　

随着能源效率要求的提升，纳米流体作为新型传热介质在微电子冷却、航天热管理等领域展现出巨大潜力。然而，其热传输增强机制仍存在三大谜题：宏观实验难以揭示原子尺度相互作用规律；传统研究过度聚焦导热系数(TC)而忽视比热容(C_p)与热扩散率(TD)的协同效应；对陶瓷类纳米颗粒(SiO₂/Si₃N₄)的界面声子耦合机制认识不足。这些瓶颈严重制约了纳米流体的精准设计。

针对上述问题，国内研究人员在《Journal of Molecular Liquids》发表的研究中，创新性地采用双轨分子动力学策略：通过平衡分子动力学(EMD)计算C_p与径向分布函数(RDF)，结合非平衡分子动力学(NEMD)模拟TD；引入振动态密度(VDOS)解析声子谱重叠效应，并采用均方位移(MSD)量化微对流贡献。研究选取1.5nm直径NP构建水基纳米流体模型，温度范围覆盖298-333K，浓度梯度设为1.56-4.68vol%。

热物性参数变化规律
温度实验显示C_p保持稳定而TD随温度线性增长，4.68vol%浓度下SiO₂体系TC提升30.6%。NP尺寸效应研究表明，2nm颗粒使C_p增幅达19.7%，但1.5nm颗粒在TC增强方面呈现最优尺寸效应。

微观机制解析
RDF分析发现界面层延伸至溶剂化壳外2.5?区域，该结构使界面热阻降低42%。VDOS谱显示10-15THz频段声子谱重叠度与TC增强呈正相关，证实振动耦合主导传热。MSD计算揭示微对流贡献率不足8%，颠覆了传统布朗运动主导理论。

粘度行为预测
采用Sharma模型估算SiO₂/水体系粘度，发现1.5nm颗粒在318K时粘度增幅最小(7.2%)，验证了该尺寸在流动性与传热性能间的平衡优势。

该研究首次建立NP尺寸-界面层厚度-声子耦合的三元调控模型，阐明陶瓷纳米颗粒通过低频声子通道增强传热的普适机制。提出的"1.5nm最优尺寸效应"为工业级纳米流体开发提供了明确的设计准则，其双轨模拟方法为复杂流体热物性研究开辟了新范式。研究结果对开发新一代低能耗散热系统具有重要指导价值，特别适用于需要精确控温的芯片级冷却场景。