4月23日，中科院一区期刊《Nano Letters》（《纳米快报》，IF：10.8）在线发表了我院陈蓉教授、高远研究员团队与美国弗吉尼亚大学合作的最新研究成果，论文标题为“Reorientation of Hydrogen Bonds Renders Unusual Enhancement in Thermal Transport of Water in Nanoconfined Environment（纳米限域作用下的氢键旋转导致水的热导率显着提升）”。高远研究员为第一、通讯作者，弗吉尼亚大学许宝星副教授、华中科技大学陈蓉教授为通讯作者，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为第一完成单位。
新一代的电子器件普遍具有高功率、高度集成化、小型化的特点，其功率密度与内部热流密度不断升高，为器件的散热带来挑战。如果散热不充分，高温通常会降低电子器件的性能，并降低器件的可靠性与寿命。因此，高功率器件的热管理问题是长期面临的挑战之一。纳米限域作用会导致水等常见液体具有与宏观尺度下截然不同的热力学性质。例如，纳米通道中的水的扩散性质、导热性质理论上能够达到宏观状态下的数倍以上，将纳米限域的输运性质应用到电子器件的热管理中有望进一步提升散热效率。然而，液体在限域状态下的导热性质尚存在争议，且导致其性质变化的机理仍不明确，限制了纳米限域流体在热管理与能量交换领域的实际应用。对此，该工作旨在通过理论计算剖析限域流体特殊的热性质及其背后的分子机制。
研究团队采用分子动力学计算的研究方法，首先揭示了在先前研究中被忽略的限域应力及其特性，该应力能够对限域流体的热力学效应产生显着影响，与先前研究中颇具争议的结果密切相关。由于纳流道孔壁对水分子的吸引作用，限域水的分子间结构相对于宏观块体水发生了显着改变，从而引发了限域应力。当该应力较大时，限域水会呈现像固体一样的颈缩效应，随即被拉断。限域应力同样会对限域水的热性质产生较大影响，而先前研究往往忽略该应力的存在，从而导致结果具有争议。为规避限域应力的影响，研究团队建立了基于限域尺度和固液相互作用强度的理论模型，并准确预测了限域水平衡状态下（限域应力）的密度与结构。
针对限域水的热性质计算研究表明，限域水的热导随着限域尺度的减小和固液相互作用的增强而增加，此时的限域效应最强。相反，如果限域尺度无限大，或者固液间相互作用不存在，限域效应消失，水的热导值将回归宏观状态下的性质。以上发现可以通过限域理论建立标度率，实现量化预测。并且，纳米限域水与固体类似，本征热导率与其等效的杨氏模量呈正相关。
限域水分子的热力学行为统计揭示了纳米限域水热导率的提升机制——氢键旋转。在纳米限域水中，朝向与纳流道平行的氢键数量明显增多。相反，宏观块体水中的氢键朝向并无显着偏好。计算结果进一步显示，相互作用最强的固液界面处，大多数氢键与纳流道同向，而其余氢键形成了五层分布，每层氢键相互垂直。在固液相互作用增强的情况下，水分子的转动被加以限制，使得氢键的多层网络构型进一步稳定。该特殊构型使得平行于纳流道方向的热导率增加，但破坏了垂直于纳流道方向的氢键网络与热通路，导致纳米限域水的热导率呈现各向异性。
综上，研究团队基于理论计算证实了水分子在纳米限域状态下的热导率提升，并从纳米力学角度为先前研究具有争议的结果提出了合理的解释。同时，该工作进一步提出了限域水优异热导率的全新分子机制——氢键旋转，该机制不同于以往研究中提出的限域相变理论。在此基础之上，研究团队提出了耦合热力学条件、纳流道几何特征与固液相互特征的预测模型。以上研究成果是对限域理论与基本物性提供了全新的理解，为设计基于纳流道能量交换器件奠定了理论基础，并对于发展新一代高功率器件的全新制冷方案具有重要的理论指导意义。
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