两相流体界面扩散动力学：局部动态与尺寸效应的分子模拟研究

本文通过分子动力学(MD)模拟揭示了二元Lennard-Jones(LJ)流体体系在相分离过程中的界面扩散机制。研究发现：平行于界面的横向扩散系数(D∥)在界面处呈现峰值，而垂直于界面的法向扩散系数(D⊥)在非优势相中最高。研究首次系统论证了流体-流体(F-F)体系中周期性边界条件引起的流体动力学效应与纳米限域流体的相似性，为工业分离工艺（如溶剂萃取）和生物膜离子传输提供了理论依据。

　　

Highlight

界面扩散的动力学特征

研究发现二元LJ流体体系的界面扩散呈现显著各向异性：横向扩散系数(D_∥)在界面处达到最大值，而法向扩散系数(D_⊥)在热力学不利相中反而更高。这种反常现象源于界面处分子排列的有序性降低和流体动力学效应的耦合作用。

有限尺寸效应的双重机制

研究首次区分了影响F-F体系扩散的两类尺寸效应：1) 界面物种分布变化引起的热力学效应；2) 周期性晶胞相对尺寸导致的伪流体动力学效应。后者与纳米通道中受限流体的行为高度相似。

结论

流体-界面扩散在工业分离和生物系统中普遍存在。通过调节LJ体系中交叉相互作用参数ξ_AB，本研究量化了不同混溶度下界面扩散的能垒效应。当ξ_AB→0时体系呈现典型的两相扩散特征，而ξ_AB→1时则表现为均相扩散行为。这些发现为理解电催化界面反应和细胞膜离子通道等过程提供了新视角。

作者贡献声明

Quang K. Loi：研究设计、论文撰写与数据分析；Debra J. Searles：研究指导与论文修订。