高岭土表面特性驱动的纳米流变行为分子动力学研究及其工程安全意义

本综述通过分子动力学模拟（MD）系统揭示了高岭土-水体系的纳米流变机制，重点探讨了不同表面特性（亲水性吉布斯面与疏水性硅氧面）对孔隙结构、水分子自扩散系数、粘度及屈服应力的影响。研究结合平衡分子动力学（EMD）与非平衡分子动力学（NEMD）模拟，阐明了剪切速率与孔隙间距对流变行为的调控作用，并为评估粘土悬浮液工程稳定性提供了原子尺度见解。

　　

Simulation method（模拟方法）

本研究针对三种平行高岭土颗粒体系的流变特性展开模拟。高岭土晶体结构依据Bish的晶格数据构建：空间群对称性为p1，化学式为Si₂Al₂O₅(OH)₄，晶格常数为a = 5.1554 ?, b = 8.9448 ?, c = 7.4048 ?, α = 91.700°, β = 104.862°, γ = 89.822°。为构建粘土颗粒，我们采用4 * 4晶胞单元（x和y方向分别延伸至2.09 nm和3.62 nm）……

Changes in pore wall thickness during MD process（MD过程中孔壁厚度的变化）

作为矿物的表面特性之一，润湿性由其晶体结构决定。高岭土因其独特的层状结构拥有两种不同的(001)晶面：吉布斯面（gibbsite surface）和硅氧面（silica surface），二者表现出截然不同的润湿行为。图2a展示了Wang等人通过模拟获得的接触角结果：吉布斯面表现为亲水性，而硅氧面则呈现疏水性特征。这种差异直接影响水分子在孔隙中的分布模式与孔隙间距的平衡状态。

Rheology of kaolinite（高岭土的流变学）

我们采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟研究高岭土-水体系的流变行为。均方位移（MSD）是衡量粒子随时间偏离参考位置的指标，可用于描述原子或离子的运动轨迹，进而揭示其动力学特征。根据公式：

MSD(t) = (1/N) ∑[rⁱ(t) - rⁱ(0)]²

我们基于10 ns的模拟轨迹计算了水分子在z方向的MSD，结果如图7所示……

Conclusions（结论）

高岭土表面润湿性的差异显著影响其流变行为。本研究通过构建三种平行高岭土孔隙模型，并结合分子动力学模拟，揭示了表面特性对纳米流变行为的调控机制。主要结论如下：

(1) 在零剪切条件下，靠近高岭土吉布斯面的水分子排列紧密，形成分层水膜结构……