【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】1805年，英國科學(xué)家托馬斯·楊(Thomas Young)在研究潤濕和毛細(xì)現(xiàn)象時(shí)描述了界面張力和接觸角的定量關(guān)系。兩百多年來，楊氏方程已成為潤濕領(lǐng)域基本的理論之一。雖然基于熱力學(xué)能量小化方法可推導(dǎo)得到該方程，但是研究者一直致力于從力學(xué)角度解釋楊氏方程，并驗(yàn)證其在納米尺度的有效性。
該領(lǐng)域仍存在許多關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決：一方面，作為控制液滴動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素，作用在固液氣三相接觸線處的毛細(xì)力并沒有在楊氏方程中明確體現(xiàn)，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(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確測量，楊氏方程的驗(yàn)證一直存在著爭議。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、中科院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)研究了固液界面毛細(xì)力的微觀起源，揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機(jī)理，并從力學(xué)角度給出了楊氏方程的合理解釋。
楊氏方程是描述固氣、固液、液氣界面張力γsg，γSL，γLg與接觸角θ之間的關(guān)系式，亦稱潤濕方程，表達(dá)式為：γsg-γSL=γLgCOSθ，適用于均勻表面和固液間無特殊作用的平衡狀態(tài)。界面化學(xué)的基本方程之一。
針對以上挑戰(zhàn)，中國科大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(jìn)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(xì)力，進(jìn)一步明確了該毛細(xì)力與界面張力之間的區(qū)別和聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，研究者建立了描述液滴接觸線處毛細(xì)力平衡的理論模型，并給出了楊氏方程的力學(xué)解釋。該理論得到了分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的驗(yàn)證。
分子動(dòng)力學(xué)是一門結(jié)合物理，數(shù)學(xué)和化學(xué)的綜合技術(shù)。分子動(dòng)力學(xué)是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動(dòng)，以在由分子體系的不同狀態(tài)構(gòu)成的系統(tǒng)中抽取樣本，從而計(jì)算體系的構(gòu)型積分，并以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀性質(zhì)。
研究結(jié)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?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)對毛細(xì)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(xiàn)象提供了新的認(rèn)知，而且在微納流控芯片設(shè)計(jì)、提高低滲透油藏采收率等應(yīng)用領(lǐng)域也具有重要的科學(xué)意義。
資料來源：百科、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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