中國科大提出描述納米通道氣體輸運的普適Knudsen理論模型

　　中國科學技術大學工程科學學院近代力學系、中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室王奉超研究團隊在納米通道氣體輸運的理論研究方面取得進展，提出普適的Knudsen理論模型，適用于定量描述任意壁面粗糙度的納米通道內的氣體流量。該研究成果以A generalized Knudsen theory for gas transport with specular and diffuse reflections為題近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　納米通道中氣體輸運，不僅在自然界中廣泛存在，而且在膜分離、納米催化、頁巖氣開采等工業過程中發揮著關鍵作用。納米通道氣體輸運屬于自由分子流狀態，氣體分子與通道壁面的碰撞起主導作用，而氣體分子間的相互作用可忽略不計。1909年，丹麥物理學家Martin Knudsen首次提出了描述自由分子流氣體流量的理論模型，即Knudsen理論。隨后，經過波蘭物理學家Marian Smoluchowski和荷蘭物理學家Pieter Clausing等人的發展和完善，Knudsen理論成為定量描述自由分子流的核心理論。Knudsen理論的推導基于一個關鍵假設：氣體分子在通道壁面上發生漫反射。然而，隨著新材料的出現和觀測技術的進步，實驗研究發現在某些特定壁面上，尤其是原子級的光滑材料表面，氣體分子更傾向于發生鏡面反射。這種鏡面反射現象導致通過納米通道的氣體流量顯著高于Knudsen理論預測值。Smoluchowski給出的修正模型雖然試圖調和不同粗糙度的固體壁面，但在對于石墨烯等原子級光滑壁面，其預測結果會發散至無窮大，與實際嚴重不符。因此，重新修正Knudsen理論以適用于更廣泛的通道壁面，尤其是準確定量描述原子級光滑壁面通道內的氣體流量，至關重要。

　　研究團隊首先分析了Smoluchowski修正模型的局限性，并指出了該模型在處理光滑壁面通道時理論值發散的原因。不同于前人關注鏡面反射對氣體流量的增強效應，研究人員創新性地提出了鏡面反射減少氣體耗散流量的研究思路；在此基礎上，推導出了普適的Knudsen理論模型。該模型經過分子動力學模擬驗證，證明其廣泛適用于各種不同壁面粗糙度、不同橫截面形狀和尺寸的通道，為描述自由分子流提供了新的理論支持。

　　相關研究工作得到國家自然科學基金委和中國科學院青年創新促進會的資助。

中國科大提出描述納米通道氣體輸運的普適Knudsen理論模型