納米顆粒調控動態潤濕行為的力學機制研究

《納米顆粒調控動態潤濕行為的力學機制研究》是依託中國科學技術大學，由王奉超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米顆粒調控動態潤濕行為的力學機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王奉超
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

含有納米顆粒的均勻穩定溶液被稱為是納米流體。通過改變納米顆粒的幾何參數和表面性質可以有效地調控納米流體的動態潤濕行為。納米流體的該特性使其在能源環境、摩擦潤滑、生物醫藥等領域表現出重要的套用前景。在納米顆粒調控動態潤濕行為的研究中，納米顆粒之間以及納米顆粒與周圍基液之間相互作用的表面力和分子間力是重要的決定因素。然而，納米流體動態潤濕行為的力學機制目前仍沒有形成統一的認識，這極大限制了該可調控潤濕行為的進一步套用。本申請項目擬採用分子動力學模擬、實驗觀測、理論建模相結合的方式，研究納米顆粒影響接觸線移動的力學機制、納米流體中表面力和分子間力的調控與表征、納米顆粒的幾何參數和表面性質的最佳化設計這三個關鍵科學問題，提出納米顆粒調控動態潤濕的微觀力學機制。本項目將力爭取得一些突破性的研究成果，從而為納米流體動態潤濕行為主動調控的推廣套用做出原創性的貢獻。

結題摘要

本項目的主要研究內容包括以下三部分：a. 液滴鋪展過程中的納米顆粒對接觸線運動機制的影響；b. 納米流體液滴的蒸發；c. 動態潤濕行為的尺寸效應與表面界面效應。經過項目研究團隊三年多的努力，本項目研究按照項目申請時制定的研究計畫，進展順利。本項目專門開發了針對納米流體複雜體系分子動力學模擬的前處理建模程式。採用分子動力學模擬的方法，詳細地研究了納米結構的尺寸、表面親疏水性質、體積分數等對納米流體液滴鋪展行為和接觸線動力學的影響。研究表明，納米顆粒的表面親疏水性對納米流體的性質具有重要影響。表面疏水的納米顆粒具有更高的移動性和擴散性，從而導致納米流體更低的黏度，進一步影響其鋪展行為。本項目將標度律的方法用於納米流體液滴鋪展行為的研究，結合模擬結果，證明了納米顆粒對納米流體液滴潤濕行為的重要調控作用。納米顆粒的加入，跟原來的基礎液體相比，改變了納米流體本身的表面張力，黏性力等屬性，對納米流體跟固體基底之間的相互作用也有一定的影響。根據本項目的研究目標要求，建立了一套研究納米流體液滴蒸發的分子動力學模擬方法。基於此方法，研究了蒸發過程中接觸線移動的分子機制，給出了蒸發過程中蒸發模式的轉變和接觸線發生釘扎及移動的判據。本項目研究了單個納米顆粒在接觸線附近的釘扎與去釘扎現象及其運動機制，討論了其中的表面力與分子間力的作用，並得到了納米顆粒不同的三種運動形態：(1)無遲滯滑動; (2)交替進行的釘扎-滑移模式；(3)完全釘扎。疏水基底上增強納米顆粒與基底之間的作用力將會導致交替的釘扎-滑移現象，在此基礎上提出了動態潤濕行為的主動調控方案。本項目研究成果闡述了多種影響因素下納米顆粒在三相接觸線附近的釘扎與滑移現象，並給出了基於自由能理論的運動機制分析，為納米顆粒在接觸線附近的動態行為預測和納米顆粒主動調控接觸線運動提供了理論依據。在本項目的資助下，已經發表相關論文14篇，其中SCI論文13篇，圓滿完成本項目的既定目標。