纳米尺度下离子液体水滴电润湿行为的分子模拟计算研究

【摘要】：针对纳米尺度液滴润湿及电润湿行为的研究已成为当今微纳流体操控领域内的重要研究内容,在光学、物理化学以及生物学和电机工程等诸多研究领域都获得广泛的关注。目前对纳米尺度下液滴电润湿行为的研究大多针对甲醇、乙醇、纯水以及氯化钠等无机盐的水溶液,与上述传统的溶液相比,室温离子液体具有环境友好、对健康无害以及热稳定性良好和可设计组合性等特殊性质,在基于液体的纳米机电系统及生物医学领域中有着巨大的潜在应用。基于这样的背景,本文对纳米尺度下含室温离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF4])的水滴在单层石墨烯表面上的润湿行为以及电润湿行为进行了分子动力学模拟研究。本文的研究过程中,未加电场时纳米水滴的平衡接触角随着其包含离子液体阴阳离子对数量的增多和温度的升高而减小,通过计算径向分布函数发现随着纳米水滴中阴阳离子对数量的增多,离子液体阴阳离子之间、水分子与水分子之间的相互作用力明显强于离子液体阴阳离子与水分子之间的互相作用力。进一步分析纳米水滴中阴阳离子的数量密度分布规律,得出阴阳离子与石墨烯基底的相互作用规律,纳米水滴在固体基底附近形成较强的吸收层,导致纳米水滴与石墨烯基底的平衡接触角随着阴阳离子对数量的增多而显著的减小,进而加强了石墨烯表面的润湿性。在外加电场强度不变的情况下,随着纳米水滴中阴阳离子对数目的增多,水滴形态呈对称性-不对称性的变化,并且纳米水滴到达平衡状态所需要的时间随水滴中阴阳离子对数量的增加而减少。当外加电场强度较弱时,纳米水滴通过不对称性形变达到平衡状态;当外加电场较强时,纳米水滴将通过对称性形变达到平衡状态。本论文的研究结果表明外加电场强度的增强和阴阳离子对数量的增加可以改善纳米水滴的润湿行为,揭示了离子液体中阴阳离子与水分子间相互作用机制,为电润湿在生物分子传感等纳米机电系统等领域的应用提供了理论基础。