微米液滴和纳米气泡润湿行为和稳定性机理研究
流体（如液体、气体）在自然界和化学工业中无处不在。近几年，随着新兴仿生学的发展，人们通过观察研究自然界中液体在各种生物表面和动物表面的特殊行为，为提高工业生产的效率提供很大的启发。超疏水和定向运输就是基于自然界中荷叶和蜘蛛丝等表面上液体的特殊性质。从微观上对各种表面的特殊性进行研究对宏观上的液滴行为具有重要的意义。基质表面的润湿性和微米液滴、纳米气泡的稳定机制依赖于体系的尺寸:体系的尺度越小，需要考虑的影响因素越多，例如锚定效应，线张力和界面等的影响。 因此，本文针对微米液滴和纳米气泡的润湿行为和稳定性机理展开理论和模拟研究，内容如下: 1.精确测定固着液滴的线张力仍然是一个重要挑战。目前，根据接触角评估线张力的大小在实验和理论上相差4-5个量级。本研究中展示由基质非均匀性引起的液滴接触线锚定效应影响液滴的表观接触角，进而影响通过线张力修正的杨氏方程的评估。通过将锚定效应引入吉布斯自由能微分方程可以得到由锚定效应和线张力共同修正的杨氏方程。使用经典密度泛函理论，通过设计不同非均匀性基质分离出了线张力和锚定力的贡献。锚定效应会导致一个亚稳的润湿状态，并且影响液滴的接触角，因此，基于传统线张力修正的杨氏方程，根据接触角评估线张力的大小会导致结果存在误差。 2.当气泡固着在一个光滑和刚性的基底上时，它的接触角总是被假定与在相同润湿性条件下的液滴接触角互补。在本研究中，通过自由能分析和分子动力学(MD)模拟，重新回顾了光滑固体表面上的气泡润湿性。研究展示气泡和液滴润湿性存在根本性的差异:气泡等温压缩性的尺寸依赖性导致其接触角有一个尺寸效应。基于理论分析，得到了气泡与液滴接触角新的关系，并且通过MD模拟纳米气泡和纳米液滴进行了验证。总的来说，本研究展示了当气泡的尺寸大于10微米时，传统的液滴与气泡接触角互补关系成立;但是，当气泡尺寸减小到几微米或者纳米级时，这个关系将不再成立，并且偏差随着气泡尺寸减小而增大。 3.微液滴在弯曲基质上润湿行为的基本理解对胶体科学、微流体和热交换技术都有很重要的应用价值。本研究中通过格子波尔兹曼模拟和能量分析展示根据基底形状的差异（曲率）微液滴能够自发的转移到适合的基质上，在这里因为它与蛋白质靶向的相似性——通过该蛋白质靶向作用将蛋白质转运到细胞中的适当目的地，所以称液滴的这种行为为依靠基质曲率的液滴靶向运动。两种动态路径被确定:一种是在分离的两个液滴之间通过在更弯曲的凸表面（较小曲率的凹表面）液体蒸发而在较小曲率凸表面（更弯曲的凹表面）冷凝的类似奥斯瓦尔德熟化;另一种是通过同时接触不同曲率的基质来实现液滴的定向运动。同时理论分析论证液滴的定向运动是热力学驱动的过程。直接接触的定向运输是由于曲率引起的粘附功的不同，而类似奥斯瓦尔德熟化是因为基质弯曲改变了液滴的曲率半径。本文对液滴定向运动的研究结果有潜在的广泛应用，如微流体，热控制和微细加工。
微米液滴;纳米气泡;润湿行为;稳定性机理
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
张现仁
2019
中文
O351.2
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）