中國科大在固液界面力學研究方面取得重要進展

發稿時間:2020-04-01瀏覽次數:10

1805年,英國科學家托馬斯·楊(Thomas Young)在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關系。兩百多年來,楊氏方程已成為潤濕領域最基本的理論之一。雖然基于熱力學能量最小化方法可推導得到該方程,但是研究者一直致力于從力學角度解釋楊氏方程,并驗證其在納米尺度的有效性。該領域仍存在許多關鍵科學問題亟待解決:一方面,作為控制液滴動力學的關鍵因素,作用在固液氣三相接觸線處的毛細力并沒有在楊氏方程中明確體現,且易于與界面張力的概念混淆。另一方面,由于固液、固氣界面張力難以在實驗中準確測量,楊氏方程的驗證一直存在著爭議。

近日,中國科學技術大學工程科學學院、中科院材料力學行為和設計重點實驗室團隊研究了固液界面毛細力的微觀起源,揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機理,并從力學角度給出了楊氏方程的合理解釋。該研究成果以“Microscopic Origin of Capillary Force Balance at Contact Line”為題發表在《物理評論快報》上(Physical Review Letters, 124, 125502, 2020)。

針對以上挑戰,我校研究人員從微觀上深入剖析了界面張力的物理意義并對其進行分解,找到了一種新的方法來定量描述固液氣三相接觸線處的毛細力,進一步明確了該毛細力與界面張力之間的區別和聯系。在此基礎上,研究者建立了描述液滴接觸線處毛細力平衡的理論模型,并給出了楊氏方程的力學解釋。該理論得到了分子動力學模擬結果的驗證。研究結果還表明:在小接觸角的情況下,固液和液氣界面在接觸線處存在重疊,固體表面的液體有序層狀結構對毛細力具有重要影響。該研究不僅為深刻理解界面潤濕的諸多現象提供了新的認知,而且在微納流控芯片設計、提高低滲透油藏采收率等應用領域也具有重要的科學意義。

液滴三相接觸線處毛細力平衡的理論模型與驗證

我校工程科學學院吳恒安教授、王奉超特任教授為論文通訊作者,博士生范競存為論文第一作者,我校訪問教授、比利時蒙斯大學Joel De Coninck教授為論文合作者。該項研究得到了中科院B類先導專項、國家自然科學基金委、中科院青促會的資助。研究中的模擬工作得到了中國科學技術大學超算中心的支持。


文章鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.125502


工程科學學院、中科院材料力學行為和設計重點實驗室、科研部)


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