新泽西理工学院的一个研究小组正在揭开纳米多孔材料中流体的神秘面纱，并最近获得了 国家科学基金会 (NSF) 的拨款来支持这项研究。
该研究的重点是这些纳米孔中流体的弹性或可压缩性。了解流体的弹性特性对多个学科具有重要意义。工程应用、地质勘探、材料科学和环境研究将从这项研究中获得的见解中受益。
新泽西理工学院化学与材料工程副教授兼首席研究员根纳迪·戈尔 (Gennady Gor) 表示，虽然流体的弹性在整体上已经得到了很好的理解，但在微观层面的纳米多孔材料中，流体的基本特性是不同的。
该研究计划的主要目标是开发一种分子理论，能够量化限制对流体弹性特性的影响，并利用该理论来预测流体饱和纳米多孔材料中的能量传递(波传播)。
此外，这项研究可能会影响热力学理解和预测的知识库。所有热力学性质都彼此相关，包括压缩性。这种“状态方程”是一种数学关系，它根据压力、体积和温度等热力学性质来描述系统的状态。
“可压缩性是进入状态方程的参数之一，如果我们发现可压缩性出现偏差，整个状态方程就应该改变，”戈尔说。 “应该重新审视所有热力学性质的预测，这对于考虑流体和孔隙热力学的更广泛应用极其重要。”
研究小组将采用分子尺度建模和实验技术相结合来研究约束对流体弹性的影响。分子尺度建模工作将重点研究限制在各种尺寸和表面特性的孔隙中的碳氢化合物，同时将使用具有明确孔径的多孔玻璃和多孔碳等模型材料进行实验。
实验团队与建模团队密切合作，测试有效性并为模型演化提供反馈。为了扩大分子尺度模型以在更长的时间内模拟更大的系统，需要进行某些简化和假设。
“到目前为止，我们很高兴看到实验测量很好地再现了模型的预测。然而，打个比方来说，我们仍然处于洞穴口，谁知道里面藏着什么宝藏。”新泽西理工学院化学与环境科学联合首席研究员兼副教授阿列克谢·哈利佐夫(Alexei Khalizov)说道。
为了测试模型，研究人员将用液体填充纳米孔的已知部分，然后用超声波脉冲探测样品。他们升级后的实验装置可以对任何液体中的蒸汽进行精确剂量，以前他们只是测试水和全自动实验。 Khalizov 表示，自动化是实验的关键要素，因为饱和曲线上的每个点有时可能需要一整天的时间;一些样品具有较高的比表面积，并且在纳米孔中的扩散缓慢。
该团队的实验室将配备真空密封、温度控制的室，以确保环境一致，该实验室建立在 NJIT 校友 Jason Ogbebor 开发的概念验证基础上，Jason Ogbebor目前正在攻读博士学位。在麻省理工学院。 Gor 将这个项目的大部分起源归功于 NJIT 教师种子基金和夏季奖学金，这些奖学金支持了 Jason 作为本科生的研究。博士后研究员阿育王·卡鲁纳拉特尼 (Ashoka Karunarathne) 加入了该团队，并在扩大该项目方面发挥了重要作用。
“流体弹性是一个关键参数，影响流体对压力、温度和其他环境因素变化的反应，”戈尔说。 “我们的研究结果不仅将增进基础理解，而且还将在液压系统设计、自然资源勘探、储能装置、水能关系新技术以及化学和生物分离等各个领域具有实际应用。”
该研究 建立在早期出版物的基础上 ，将对石油和水资源勘探以及温室气体封存工作产生影响。通过研究纳米孔中碳氢化合物流体的弹性特性，研究小组旨在开发新的理论模型，以帮助这些关键领域。
“我们对我们的研究为基础科学和实际应用的进步做出贡献的潜力感到兴奋。通过揭开纳米多孔介质中流体行为的奥秘，我们的目标是为解决多个领域紧迫挑战的创新铺平道路。”戈尔说。
国家科学基金会的拨款将在未来三年内支持该研究项目，使研究团队在理解纳米多孔介质中流体限制和弹性之间的复杂相互作用方面取得重大进展。
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！
