电场作用下微纳液滴在粗糙固体壁面上的润湿特性研究

摘要

润湿现象在日常的生活中随处可见，它对动植物的生命活动有着非常重要的影响，同时对人类的生产生活起到了至关重要的作用。电润湿是通过施加电场力驱动气/液/固界面变化，从而改变壁面润湿性达到控制液滴运动的目的。目前，用电场控制固-液界面变化在纳米光电子和微观电子技术中有着非常广泛的应用。但是壁面的极性、粗糙程度以及粗糙形状等对微纳液滴润湿扩展的影响还不为人们所熟知。本文采用分子动力学模拟方法，从微观角度解释微纳液滴在粗糙壁面上的电润湿扩展机理。使用椭圆方程拟合液滴轮廓曲线并求切线斜率得到接触角来表征润湿性的强弱，通过分析微纳液滴的静态润湿过程、动态润湿过程以及水分子内部参数等得到以下结果： 首先，研究了壁面极性和交变电场对液滴润湿扩展的影响，构建微纳液滴在极性二氧化硅壁面上润湿的模拟模型。在电场力的作用下，水分子偶极矩倾向于从无序状态向有序状态排布。与整个液滴进行比较，壁面极性对壁面附近水分子的重新排布有着显著的影响。在电场作用下液滴呈现不对称性的润湿扩展，当电场强度为0.45V/nm时，这种不对称性达到极限。当电场强度Ex=1.0V/nm时，随着时间的增加前后接触角差值先增大后减小，最终趋于相等约为15度。施加不同频率的交变电场，随着电场频率的增加润湿扩展的不对称性减弱。当交变电场频率为1000GHZ时，水分子偶极矩排布与不施加外部电场时相同。 然后，构建了微纳液滴在不同立方矩阵形壁面上润湿的分子动力学模型。液滴在立方矩阵形壁面上会呈现两种润湿状态—Wenzel状态和Cassie-Baxter状态。立柱高度、宽度、以及立柱间距是决定这两种状态的主要因素，其中立柱间距影响最大。改变壁面能量参数，发现当立柱高度小于截断半径（1.5nm）时，能量参数为0.19kcal/mol时可以实现壁面由疏水性到弱亲水性的转变，并且随着壁面能量参数的进一步增加壁面的亲水性增强，液滴更易于在壁面上润湿扩展。 最后，构建了微纳液滴在粗糙硅壁面上润湿的分子动力学模拟模型，研究电场作用下纳米水液滴在不同粗糙因子和不同壁面形状的固体硅壁面上的电润湿特性。无电场作用时，随着粗糙因子的增加静态接触角先减小后增加。施加竖直方向的电场时，液滴会在电场力的作用下沿垂直壁面方向拉伸；保持粗糙因子r≈2.2不变，改变壁面的形状，发现微纳液滴的平衡状态会呈现Wenzel状态和Cassie-Baxter状态。在弱电场作用下，液滴在固体壁面上呈现对称润湿扩展。当Ex=0.5V/nm时，微纳液滴沿电场方向被拉伸并且在立方矩阵形表面上完全拉伸成条状，说明粗糙壁面形状对微纳液滴的润湿行为起着重要作用。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 静态接触角和杨氏方程

1.1.2 电润湿

1.1.3 粗糙固体壁面上的两种接触模式

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 当前研究不足

1.3 本课题研究内容

1.4 创新点

第2章 分子动力学模拟方法

2.1 基本原理

2.2 体系边界

2.3 数值算法

2.3.1 Verlet算法

2.3.2 Leap-frog算法和速度Verlet算法

2.3.3 Beeman算法

2.4.1 系综的分类

2.4.2 系综恒温技术的控制方法

2.4.3 系综恒压技术控制方法

2.5 分子力场

2.5.1 两体势

2.5.2 多体势

2.6.1 温度统计

2.6.2 压力统计

2.7 物理量的无量纲化处理

2.8 本章小结

第3章 电场作用下纳米液滴在极性SiO2壁面上的润湿特性

3.1 模拟细节

3.2 电场作用下微纳液滴的静态润湿特性

3.3 电场作用下微纳液滴的动态润湿特性

3.4 交变电场作用下纳米液滴在SiO2壁面上的润湿特性

3.5 本章小结

第4章 不同能量参数作用下微纳液滴在立方矩阵形壁面上的润湿特性

4.1 模拟细节

4.2 纳米液滴在立方矩阵型粗糙固体壁面上的润湿特性

4.3 纳米液滴在不同能量参数粗糙固体壁面上的润湿特性

4.4 本章小结

第5章 电场作用下微纳液滴在不同粗糙度因子固体壁面上的润湿特性研究

5.1 竖直电场作用下微纳液滴在不同粗糙度因子固体壁面上的润湿特

5.1.1 模拟细节

5.1.2 壁面粗糙度对静态接触角的影响

5.1.3 电场作用下微纳液滴在固体壁面上的的静态润湿特性

5.1.4 电场作用下微纳液滴在固体壁面上的的动态润湿特性

5.1.5 水分子参数分布

5.2.1 模拟细节

5.2.2 壁面粗糙微结构形状对接触角的影响

5.2.3 电场作用下微纳液滴的静态润湿特性

5.2.4 电场作用下微纳液滴的动态润湿过程

5.2.5 水分子参数分布

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位论文期间发表的论文及其它成果

声明

致谢