表面润湿性对纳米液滴线张力影响机理的分子动力学研究

表面润湿性对纳米液滴线张力影响机理的分子动力学研究

【摘要】： 表面润湿是一种常见的物理现象。在纳米尺度下,由于液滴的润湿行为受固体表面形状和粗糙度的影响,可能产生与宏观尺度下截然不同的变化规律。同时,线张力作为纳米尺度下影响表面润湿性能的关键参数,其作用大小、方向及变化规律目前还没有统一的认识。因此,微纳尺度下表面润湿行为和线张力效应的研究,对微纳机电系统、生物芯片、仿生医学器件等微纳米科学技术的发展具有至关重要的意义。本文采用分子动力学方法对纳米液滴在凸型和凹型两种固体表面上的润湿状态进行了模拟,研究了固体表面曲率、固液相互作用以及液滴尺寸对固体表面润湿性能的影响规律。研究结果表明,在凸表面上,不同的固液相互作用和不同尺寸液滴形成的接触角均随着半径比例系数k的增大而增大,三相接触线曲率半径随着k值的增大而减小;在凹表面上,增大半径比例系数k,液滴的接触角呈现先增大后减小的趋势,且液滴表面形态由凸液面逐渐转变为凹液面。而增大液滴尺寸,液滴接触角反而减小。通过对液滴三相接触线处进行受力分析,推导了在不同形状固体表面上含有线张力作用项的修正Young方程,并结合模拟结果计算了线张力的数值。纳米尺度下线张力大小受固体表面曲率和固液相互作用的影响而改变。在凸表面上,受半径比例系数k值影响线张力的变化可分为两个阶段:当液滴尺寸远小于固体表面尺寸时,线张力受到固体表面曲率影响较小,基本保持不变;当液滴尺寸和固体表面尺寸相近时,线张力在亲水性表面随k值增大而增大,在中性表面上随k值的增大而减小,在疏水性表面上保持恒定。在凹表面上,当固体表面为亲水性时,线张力随着k值的增长呈现先增大后恒定的变化趋势。为了深入探究在纳米尺度下线张力效应的作用机制,统计了近壁面处液体原子的数密度分布和径向分布函数。在凸表面上,近壁面处的液体原子数量随半径比例系数k和固液间势能参数β增大而增加,但原子排列结构基本不变;在凹表面上,当固液相互作用较强时,近壁面处的液体原子数量同样随着半径比例系数k的增大而增加,同时液体原子的排列结构也会受到固体表面曲率的影响。对于不同形状的表面,线张力的数值均与近壁面处首次出现的数密度峰值呈现线性增长关系,即靠近壁面处液体原子的绝对数量越多,线张力的数值越大。

【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

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