硅和石墨狭缝纳米孔中稀有气体克努森扩散的壁面形态依赖性：一项分子动力学研究

《Vacuum》：Wall morphology dependence of rare gas Knudsen diffusion in silica and graphite slit nanopore : A molecular dynamics study

克努森扩散中纳米通道壁面粗糙度、各向异性和孔隙率对He/Ne自扩散的影响研究。通过石墨、β-晶态硅石和 amor phous二氧化硅材料，分析表面气传的弹跳/扩散转变阈值、碰撞次数与速度关联性，以及驻留时间分布的Fréchet分布特征。发现 amor phous SiO2需引入笼效应修正弹跳模型，并建立碰撞频率与扩散系数Arrhenius关系间的定量模型。

　　

Pierre Magnico

艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心（CNRS），马赛中央理工学院（Centrale Marseille），M2P2研究单元（UMR 7340），法国马赛13451

摘要：

气体与通道壁的碰撞机制在克努森扩散过程中起着关键作用。特别是，通道壁的结构对质量传递有着重要影响。因此，我们研究了壁面粗糙度、各向异性和孔隙率对氦气和氖气在纳米通道中自扩散行为的影响。研究选取了三种材料：石墨、β-方石英和非晶二氧化硅。通过这项研究，我们可以分析以下方面的变化：1）表面气体传递的弹道传输与扩散传输之间的转变关系；2）碰撞次数随时间线性增加的转变过程；3）表面停留时间分布的特点，即在短时间内呈现类似Fréchet分布的形态，而在长时间内呈现指数衰减趋势。对于非晶SiO₂而言，由于材料内部的传输过程主要受“笼效应”支配，因此需要重新定义其碰撞特性。通过计算切向动量适应系数和平均平方位移的张量值，分析了各向异性对碰撞过程和克努森扩散的影响。利用Langevin模型和Arya模型，将平均平方位移的弹道传输/扩散转变时间与碰撞频率以及使粒子速度不再相关的碰撞次数联系起来。一个随机模型进一步验证了β-SiO₂通道中的分子动力学结果，包括克努森扩散系数遵循阿伦尼乌斯定律的现象，以及碰撞频率对转变时间的影响。

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