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Fast increase of nanofluidic slip in supercooled water: the key role of dynamics

Cecilia Herrero, Gabriele Tocci, Samy Merabia, Laurent Joly

Nanoscale· Volume 12· Issue 39

Abstract

Nanofluidics is an emerging field offering innovative solutions for energy harvesting and desalination. The efficiency of these applications depends strongly on liquid-solid slip, arising from a favorable ratio between viscosity and interfacial friction. Using molecular dynamics simulations, we show that wall slip increases strongly when water is cooled below its melting point. For water on graphene, the slip length is multiplied by up to a factor of five and reaches 230 nm at the lowest simulated temperature, T ∼ 225 K; experiments in nanopores can reach much lower temperatures and could reveal even more drastic changes. The predicted fast increase in water slip can also be detected at supercoolings reached experimentally in bulk water, as well as in droplets flowing on anti-icing surfaces. We explain the anomalous slip behavior in the supercooled regime by a decoupling between viscosity and bulk density relaxation dynamics, and we rationalize the wall-type dependence of the enhancement in terms of interfacial density relaxation dynamics. While providing fundamental insights on the molecular mechanisms of hydrodynamic transport in both interfacial and bulk water in the supercooled regime, this study is relevant to the design of anti-icing surfaces, could help explain the subtle phase and dynamical behaviors of supercooled confined water, and paves the way to explore new behaviors in supercooled nanofluidic systems.
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Research context

OpenAlex topics: Nanopore and Nanochannel Transport Studies · Lattice Boltzmann Simulation Studies · Soil and Unsaturated Flow

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Affiliations

Univ Lyon

Univ Claude Bernard Lyon 1

CNRS

Institut Lumière Matière

Villeurbanne

Department of Chemistry

Universität Zürich

8057 Zürich

Switzerland

Funding

Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung · Institut Universitaire de France · Agence Nationale de la Recherche

References (100+)

Show source-provided references
1. Koga · Nature · 2001 · 412 · 80210.1038/35090532 ↗
2. Schoch · Rev. Mod. Phys. · 2008 · 80 · 83910.1103/RevModPhys.80.839 ↗
3. Bocquet · Chem. Soc. Rev. · 2010 · 39 · 107310.1039/B909366B ↗
4. Fumagalli · Science · 2018 · 360 · 133910.1126/science.aat4191 ↗
5. Feng · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 85010.1038/nmat4607 ↗
6. Kavokine · Nat. Nanotechnol. · 2019 · 14 · 57310.1038/s41565-019-0425-y ↗
7. Mouterde · Nature · 2019 · 567 · 8710.1038/s41586-019-0961-5 ↗
8. Siria · Nat. Rev. Chem. · 2017 · 1 · 009110.1038/s41570-017-0091 ↗
9. Marbach · Chem. Soc. Rev. · 2019 · 48 · 310210.1039/C8CS00420J ↗
10. Xu · Nature · 2020 · 578 · 39210.1038/s41586-020-1985-6 ↗
11. E. Lauga , M. P.Brenner and H. A.Stone , 2005
12. Neto · Rep. Prog. Phys. · 2005 · 68 · 285910.1088/0034-4885/68/12/R05 ↗
13. Bocquet · Soft Matter · 2007 · 3 · 68510.1039/b616490k ↗
14. Navier · Mem. Acad. Sci. Inst. Fr. · 1823 · 6 · 389
15. Ren · Nanotechnology · 2008 · 19 · 19570710.1088/0957-4484/19/19/195707 ↗
16. Maduar · Phys. Rev. Lett. · 2015 · 114 · 11830110.1103/PhysRevLett.114.118301 ↗
17. Vo · Phys. Rev. E: Stat., Nonlinear, Soft Matter Phys. · 2015 · 92 · 05300910.1103/PhysRevE.92.053009 ↗
18. Vo · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 3388110.1038/srep33881 ↗
19. Fu · Phys. Rev. Lett. · 2017 · 119 · 21450110.1103/PhysRevLett.119.214501 ↗
20. Silkina · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2019 · 21 · 2303610.1039/C9CP04259H ↗
21. Werkhoven · Soft Matter · 2020 · 16 · 152710.1039/C9SM02144B ↗
22. Secchi · Nature · 2016 · 537 · 21010.1038/nature19315 ↗
23. Yang · Nat. Mater. · 2017 · 16 · 119810.1038/nmat5025 ↗
24. Tunuguntla · Science · 2017 · 357 · 79210.1126/science.aan2438 ↗
25. Xie · Nat. Nanotechnol. · 2018 · 13 · 23810.1038/s41565-017-0031-9 ↗
26. Bocquet · Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. · 1994 · 49 · 307910.1103/PhysRevE.49.3079 ↗
27. Petravic · J. Chem. Phys. · 2007 · 127 · 17470610.1063/1.2799186 ↗
28. Hansen · Phys. Rev. E: Stat., Nonlinear, Soft Matter Phys. · 2011 · 84 · 01631310.1103/PhysRevE.84.016313 ↗
29. Huang · Phys. Rev. E: Stat., Nonlinear, Soft Matter Phys. · 2014 · 89 · 03211910.1103/PhysRevE.89.032119 ↗
30. Oga · J. Chem. Phys. · 2019 · 151 · 05450210.1063/1.5104335 ↗
31. Español · Phys. Rev. E · 2019 · 99 · 02212610.1103/PhysRevE.99.022126 ↗
32. Nakano · Phys. Rev. E · 2020 · 101 · 03310910.1103/PhysRevE.101.033109 ↗
33. Straube · Commun. Phys. · 2020 · 3 · 12610.1038/s42005-020-0389-0 ↗
34. Barrat · Faraday Discuss. · 1999 · 112 · 11910.1039/a809733j ↗
35. Sendner · Langmuir · 2009 · 25 · 1076810.1021/la901314b ↗
36. Gu · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 99 · 06310110.1063/1.3622640 ↗
37. Wagemann · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2017 · 19 · 864610.1039/C6CP07755B ↗
38. Tocci · Nano Lett. · 2014 · 14 · 687210.1021/nl502837d ↗
39. Tocci · Nanoscale · 2020 · 12 · 1099410.1039/D0NR02511A ↗
40. Xie · Phys. Rev. Lett. · 2020 · 125 · 01450110.1103/PhysRevLett.125.014501 ↗
41. Govind Rajan · Nano Lett. · 2019 · 19 · 153910.1021/acs.nanolett.8b04335 ↗
42. Cross · Phys. Rev. Fluids · 2018 · 3 · 06200110.1103/PhysRevFluids.3.062001 ↗
43. Omori · Phys. Rev. Fluids · 2019 · 4 · 11420110.1103/PhysRevFluids.4.114201 ↗
44. Grzelka · ACS Macro Lett. · 2020 · 92410.1021/acsmacrolett.0c00182 ↗
45. Barrat · Mol. Phys. · 2003 · 101 · 160510.1080/0026897031000068578 ↗
46. Caplan · J. Chem. Phys. · 2014 · 140 · 15470110.1063/1.4870778 ↗
47. Giri · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 105 · 03310610.1063/1.4891332 ↗
48. G. W. Robinson , Water in biology, chemistry, and physics: experimental overviews and computational methodologies , World Scientific , 1996 , vol. 910.1142/2923 ↗
49. F. Franks , Water: a matrix of life , Royal Society of Chemistry , 2007
50. Ball · Chem. Rev. · 2008 · 108 · 7410.1021/cr068037a ↗
51. Debenedetti · J. Phys.: Condens. Matter · 2003 · 15 · R1669
52. Gallo · Chem. Rev. · 2016 · 116 · 746310.1021/acs.chemrev.5b00750 ↗
53. Dehaoui · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2015 · 112 · 1202010.1073/pnas.1508996112 ↗
54. Montero de Hijes · J. Chem. Phys. · 2018 · 149 · 09450310.1063/1.5042209 ↗
55. Yamamoto · Phys. Rev. Lett. · 1998 · 81 · 491510.1103/PhysRevLett.81.4915 ↗
56. Chen · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2006 · 103 · 1297410.1073/pnas.0603253103 ↗
57. Xu · Nat. Phys. · 2009 · 5 · 56510.1038/nphys1328 ↗
58. Shi · J. Chem. Phys. · 2013 · 138 · 12A52610.1063/1.4775741 ↗
59. Kawasaki · Sci. Adv. · 2017 · 3 · e170039910.1126/sciadv.1700399 ↗
60. Falk · Nano Lett. · 2010 · 10 · 406710.1021/nl1021046 ↗
61. Chen · Phys. Rev. Lett. · 2015 · 114 · 09550210.1103/PhysRevLett.114.095502 ↗
62. Köhler · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2017 · 19 · 1292110.1039/C7CP02058A ↗
63. Martí · Entropy · 2017 · 19 · 13510.3390/e19030135 ↗
64. Celebi · J. Chem. Phys. · 2019 · 151 · 17470510.1063/1.5123713 ↗
65. Cai · J. Chem. Phys. · 2019 · 150 · 12470310.1063/1.5080788 ↗
66. Zaragoza · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2019 · 21 · 1365310.1039/C9CP02485A ↗
67. Bakli · Nanoscale · 2019 · 11 · 1125410.1039/C9NR01572H ↗
68. Buchsteiner · J. Phys. Chem. B · 2006 · 110 · 2232810.1021/jp0641132 ↗
69. Cerveny · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 260410.1021/jp907979v ↗
70. Cerveny · Chem. Rev. · 2016 · 116 · 760810.1021/acs.chemrev.5b00609 ↗
71. Kaneko · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2018 · 115 · 483910.1073/pnas.1802342115 ↗
72. Mishchenko · ACS Nano · 2010 · 4 · 769910.1021/nn102557p ↗
73. Jung · Nat. Commun. · 2012 · 3 · 61510.1038/ncomms1630 ↗
74. Kreder · Nat. Rev. Mater. · 2016 · 1 · 1500310.1038/natrevmats.2015.3 ↗
75. Plimpton · J. Comput. Phys. · 1995 · 117 · 110.1006/jcph.1995.1039 ↗
76. Abascal · J. Chem. Phys. · 2005 · 123 · 23450510.1063/1.2121687 ↗
77. Schnabel · J. Phys. Chem. B · 2007 · 111 · 987110.1021/jp0720338 ↗
78. Guevara-Carrion · J. Chem. Phys. · 2011 · 134 · 07450810.1063/1.3515262 ↗
79. Fu · Phys. Rev. Lett. · 2019 · 123 · 13800110.1103/PhysRevLett.123.138001 ↗
80. Herrero · J. Chem. Phys. · 2019 · 151 · 04110310.1063/1.5111966 ↗
81. Vogel · Phys. Z · 1921 · 22 · 645
82. Tammann · Z. Anorg. Allg. Chem. · 1926 · 156 · 24510.1002/zaac.19261560121 ↗
83. Fulcher · J. Am. Ceram. Soc. · 1925 · 8 · 33910.1111/j.1151-2916.1925.tb16731.x ↗
84. Speedy · J. Chem. Phys. · 1976 · 65 · 85110.1063/1.433153 ↗
85. Bässler · Phys. Rev. Lett. · 1987 · 58 · 76710.1103/PhysRevLett.58.767 ↗
86. Hallett · Proc. Phys. Soc. · 1963 · 82 · 104610.1088/0370-1328/82/6/326 ↗
87. Markesteijn · J. Chem. Phys. · 2012 · 136 · 13410410.1063/1.3697977 ↗
88. Guillaud · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2017 · 19 · 212410.1039/C6CP07863J ↗
89. Kannam · J. Chem. Phys. · 2013 · 138 · 09470110.1063/1.4793396 ↗
90. Sam · Mol. Simul. · 2020 · 110.1080/08927022.2020.1782401 ↗
91. Liu · Phys. Rev. Lett. · 2005 · 95 · 11780210.1103/PhysRevLett.95.117802 ↗
92. Bocquet · J. Chem. Phys. · 2013 · 139 · 04470410.1063/1.4816006 ↗
93. Steele · Surf. Sci. · 1973 · 36 · 31710.1016/0039-6028(73)90264-1 ↗
94. Gallo · Phys. Rev. Lett. · 1996 · 76 · 273010.1103/PhysRevLett.76.2730 ↗
95. Kumar · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2007 · 104 · 957510.1073/pnas.0702608104 ↗
96. Jeong · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2010 · 12 · 200110.1039/b921725h ↗
97. Ikeda · Phys. Rev. Lett. · 2011 · 106 · 01570110.1103/PhysRevLett.106.015701 ↗
98. Sjöström · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2010 · 12 · 1045210.1039/c001275k ↗
99. Cottin-Bizonne · Nat. Mater. · 2003 · 2 · 23710.1038/nmat857 ↗
100. Maitra · Langmuir · 2014 · 30 · 1085510.1021/la502675a ↗