水在碳纳米材料表面的润湿性

摘要

润湿性是固体材料表面的重要性能之一，具有不同润湿性的纳米材料在生产生活中有着广阔的应用前景。一般通过调节材料表面的微观结构可有效改变其润湿性。此外，当外界条件变化时，如施加外部电场，液滴在固体表面的润湿性会发生明显变化。现实生活中，人们经常会遇到液滴融合现象，如自然界中云雾的形成、工程应用中的乳化技术以及3D打印技术等等。固体表面润湿性以及微观几何结构对相接触液膜的融合机制以及液滴的形态演变都有明显影响。因此了解材料表面微观结构以及电场等外界条件对固体表面润湿性的影响以及液滴形态结构演变行为，对获得有效地调节固体表面润湿性的方法及研制特殊反润湿特性的纳米材料具有重要意义。
　　本文中，我们利用经典分子动力学模拟方法研究了水在石墨烯以及碳纳米管表面的形态演变行为以及外加电场对碳纳米材料表面润湿性的影响。揭示了界面性质及各向异性表面结构与水膜融合机制间的内在联系，发现了外加电场可以调节水滴在石墨烯表面的润湿性。主要研究结果如下:
　　(1)通过研究两个等径水膜在石墨烯(G)、水平排列(HCNTA)以及垂直排列的碳纳米管表面(VCNTA)的融合行为，探讨了界面性质对水膜融合行为的影响。研究结果表明在碳纳米材料表面，相邻水膜之间的液桥高度随时间呈线性增长，液桥宽度增长遵循指数为1/2的幂律法则。垂直于衬底方向，密度分布曲线上呈现两处明显的波峰，说明碳材料表面的水分子呈现分层有序结构，这些有序结构阻碍了水分子在此方向上的扩散，进一步影响了液桥高度增长的速度。
　　(2)探讨了各向异性表面结构对水膜融合行为的影响。在不同粗糙度的碳纳米管阵列表面，水膜间液桥高度增长呈线性增长，润湿角较大的衬底表面液桥高度增长较快。对于相隔1(A)的两个等径水膜而言，在G和HCNTA表面上的水膜不再融合，而是各自收缩形成两个独立的半球形水滴。只有在VCNTA表面，两液膜在毛细管力作用下最终才会融合成一个液滴。然而毛细管力的促进作用是非常有限的，相距2(A)后，VCNTA表面的水膜将不再融合。此结果为通过调节衬底表面结构来控制液膜的融合行为提供了理论依据，在冷凝以及喷墨打印设计方面有重要应用。
　　(3)研究了外静电场下水滴在石墨烯表面的演变行为;探讨了垂直电场对质量密度分布、水分子极化、以及平均氢键数分布情况的影响。研究结果表明，随着电场强度的增加，系统平衡后水滴由半球形向圆锥形转变，当强度足够大时则以柱状形式存在。伴随着形状的改变，水分子的偶极取向也发生明显变化，水分子结构由无序状态向有序状态转变。密度分布以及氢键分布曲线上存在两个明显的波峰，说明界面处水分子呈分层有序状态。此外，施加水平电场时，会明显减小其润湿角，增加石墨烯表面的润湿性。
　　本文从纳米尺度揭示了衬底表面结构以及外电场对水在碳纳米材料表面润湿性以及其形态结构演变行为的影响，提供了一种简单有效的调节固体表面润湿性的方法，对于改进界面材料加工工艺有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 材料表面润湿性

1．2．1 润湿性的表征

1．2．2 经典润湿模型

1．3 自然界动植物表面的润湿性

1．4 液滴在碳纳米材料表面的润湿行为

1．4．1 碳纳米管的润湿性

1．4．2 石墨烯表面润湿性

1．5 电场调节石墨烯表面润湿性

1．6 本课题研究主要意义及内容

1．6．1 本课题研究意义

1．6．2 本课题研究内容

第二章 研究方法

2．1 引言

2．2 分子动力学模拟方法

2．2．1 分子动力学模拟过程

2．2．2 原子问势函数

2．2．3 时问积分算法

2．2．4 边界条件

2．2．5 模拟系综

2．2．6 Nosé-Hoover热浴法控制温度

2．3 水分子模型

2．4 分析方法

2．4．1 润湿角的测量

2．4．2 均方位移曲线

2．4．3 氢键

2．4．4 电偶极矩

第三章 表面结构对水膜融合的影响

3．1 引言

3．2 模型构建与计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 水成在碳纳米材料表面的融合行为

3．3．2 界面性质对水膜融合行为的影响

3．3．3 碳纳米材料表面水分子扩散

3．3．4 水膜在不同润湿性表面的融合行为

3．3．5 各向异性表面结构对相邻水膜融合行为的影响

3．3．6 各向异性表面结构对不相邻水膜融合行为的影响

3．4 本章小结

第四章 静电场下水滴在石墨烯表面的界面结构及润湿性

4．1 引言

4．2 模型构建及计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 垂直电场下水在石墨烯表面的结构演变

4．3．2 电场对石墨烯表面水的密度分布影响

4．3．3 电场诱导水分子偶极方向发生偏转

4．3．4 水平电场下水在石墨烯表面的电润湿行为

4．3．5 衬底不固定时垂直电场下水滴演变行为

4．3．6 电场对水膜融合行为的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录(Ⅰ) 攻读硕士学位期间发表的论文

附录(Ⅱ) 获得奖励