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固液界面润湿的分子动力学研究及实验

蒋大林  
【摘要】: 随着近年来微纳机电系统(MEMS/NEMS)、生物芯片、仿生医学器件等微纳米科学与技术的迅速发展,迫切需要了解微纳流体的流动特性和液滴在微纳表面润湿的控制问题。在微纳尺度下,由于极大的面体比,液体与壁面间的表面力作用常常成为固液作用的中的主要因素。在一定程度上,这种表面作用可以通过液滴在表面间的浸润性质来表征。 本文受自然界中的“荷叶效应”启发,通过分子动力学模拟研究不同界面作用力大小和表面纳米结构的存在对表面浸润性质的影响,旨在揭示纳米尺度下不同界面作用力大小和表面纳米结构影响表面浸润性质的规律和机制。模拟结果表明,液滴与壁面作用较强时,液滴能较充分地填充在纳米结构的间隙中,但是由于迟滞效应,接触角受表面纳米结构的影响不明显;而作用较弱时,纳米结构间隙中存在着类似蒸汽的低密度相,使得液滴的接触角增大;表面纳米结构可以使表面具有超疏水性。 在此基础上提出通过在纳米通道壁面构造纳米结构和调节纳米通道中压强来影响流体分子在纳米通道中的分布,进而影响和控制纳米流体流动的假想,并采用分子动力学方法进行了初步的模拟验证。模拟结果表明,在亲水铂纳米通道内,氩流体在光滑通道壁面大约有3-4个明显的分层;而在具有纳米结构的粗糙通道壁面附近,流体分子仍形成相对稳定的“晶格结构”,流体分子充分填充纳米结构间隙并在纳米结构表面仍形成高密度的贴壁层。改变通道压强,得出,随着压强减小,具有纳米结构的壁面较之光滑壁面对液体分子的作用力逐渐增强。 为验证不同界面作用大小和表面纳米结构的存在对表面浸润性质影响的分子动力学模拟的结果,对硅基表面浸润性质的表征结果表明,硅基固体表面硅烷化可以降低固体表面自由能,提高表面的表观接触角;表面微结构的存在,可以使疏水表面的接触角增大,在亲水表面的接触角,由于受表面滞后张力的影响,当表面粗糙因子r较大时变化不明显,r较小时,液滴完全铺展,接触角为零;对滚落角的表征表明,接触状态对滚落角影响很大,复合接触的滚落角随接触角增大而减小,而完全接触时,滚落角不存在。


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