碳納米材料表面液滴的潤濕性.pdf

1、潤濕是自然界中常見的現(xiàn)象之一。材料表面的潤濕性早已引起人們廣泛關(guān)注，特別是上世紀(jì)90年代德國波恩大學(xué)Barthlott和Neinhuis揭示“荷葉效應(yīng)”機(jī)理后，在世界范圍內(nèi)掀起了一股關(guān)于潤濕性研究的熱潮。2005年，德國康斯坦茨大學(xué)的Habenicht在《自然》報(bào)道薄金片經(jīng)激光加熱后在石墨表面會收縮形成液滴并最終脫離石墨表面，此現(xiàn)象也被稱為金屬液滴的反潤濕現(xiàn)象。激光誘發(fā)的反潤濕現(xiàn)象有望被用在定向納米技術(shù)和自組裝技術(shù)上，例如，醫(yī)學(xué)上可以用

2、激光誘發(fā)藥物顆粒打向癌癥細(xì)胞。此外，液體與材料表面相互作用時(shí)會出現(xiàn)斷裂或融合。斷裂和融合是多個(gè)領(lǐng)域中的兩個(gè)重要過程，例如自然界中云朵的聚散、降雨，工業(yè)上牛奶的加工、材料的成型及醫(yī)學(xué)上血液的輸運(yùn)。材料表面液滴的形態(tài)演變、潤濕性及反潤濕行為取決于液滴的溫度以及襯底表面微結(jié)構(gòu)和受限空間的尺寸，研究這些因素對潤濕性和液滴形態(tài)演變行為的影響，對于完善潤濕理論、改進(jìn)界面材料加工工藝和開發(fā)先進(jìn)的材料制備技術(shù)都具有非常重要的科學(xué)意義。
　　本文利

3、用分子動力學(xué)方法深入研究了銅液滴和水在碳納米管和石墨烯表面的潤濕和形態(tài)演變行為，揭示納米尺度下液滴的潤濕與反潤濕機(jī)理以及金屬液滴的形態(tài)演變規(guī)律，提出利用受限空間實(shí)現(xiàn)液滴自發(fā)融合的新方法。主要內(nèi)容如下:
　　(1)納米尺度下控制液滴的潤濕性和運(yùn)動是納米技術(shù)的一個(gè)重大目標(biāo)。通過研究經(jīng)納米微結(jié)構(gòu)修飾的石墨烯表面銅液滴的潤濕行為，探討微結(jié)構(gòu)尺寸、溫度和銅液膜初始形狀和尺寸對潤濕行為的影響。結(jié)果表明在修飾的石墨烯表面，超薄銅液膜在表面張力作

4、用下迅速收縮形成液滴，該液滴在慣性力作用下脫離石墨烯。液滴的整個(gè)脫離過程僅需幾納秒。通過調(diào)整液膜或石墨烯表面微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，可以有效控制液膜的收縮及脫離的時(shí)間和速度。此外，提高溫度有助于金屬液膜的收縮和液滴的脫離。此研究結(jié)果為有效利用和控制金屬液滴的反潤濕性提供理論依據(jù)。
　　(2)在多數(shù)情況下，相互接觸的兩個(gè)液滴有直接融合形成一個(gè)大液滴的趨勢，以降低表面能。通過研究銅液膜在石墨烯和碳納米管表面的形態(tài)演變行為，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)剛好接觸的

5、圓形銅液膜并未直接融合形成一個(gè)液滴，而是需要經(jīng)歷兩個(gè)階段:(Ⅰ)液膜的收縮和斷裂階段，(Ⅱ)液滴的融合階段。兩個(gè)液膜在接觸區(qū)形成一個(gè)小液橋，液橋在液膜收縮過程中逐漸變小，然后斷裂，兩個(gè)液膜也斷裂形成兩個(gè)獨(dú)立的液滴。兩個(gè)分離的液滴在慣性力作用下脫離襯底表面，同時(shí)逐漸彼此靠近，直到兩個(gè)液滴再次接觸。斷裂階段中液橋的存在使兩個(gè)液滴擁有相向的分速度，從而使兩個(gè)分開的液滴相互靠近。在融合階段，接觸后的兩個(gè)液滴在毛細(xì)管力的作用下逐漸融合形成一個(gè)大液

6、滴。此外，通過分析銅液滴的均方位移、速度場和密度分布圖，討論了碳納米材料表面微結(jié)構(gòu)尤其是碳納米管表面對液滴形態(tài)演變行為的影響。
　　(3)研究二維受限空間中銅液滴的潤濕行為和自發(fā)融合過程。此二維空間由兩面平行的納米墻構(gòu)成，每面納米墻由雙層石墨烯、水平放置的碳納米管或垂直放置的碳納米管構(gòu)成。首先考慮一個(gè)液滴的反潤濕行為，結(jié)果顯示銅液滴在二維受限空間中最終呈現(xiàn)三種狀態(tài):未脫離狀態(tài)、半脫離狀態(tài)和全脫離狀態(tài)，這取決于受限空間的高度。未脫離

7、狀態(tài)下，銅液滴的接觸角在125°～177°之間，固液接觸面的半徑在12～80(A)之間。全脫離狀態(tài)下，脫離液滴的運(yùn)動時(shí)間與受限空間的高度成正比。在研究兩個(gè)液滴的反潤濕行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)靜態(tài)液滴在受限空間中可以自發(fā)的融合形成一個(gè)液滴，而且融合時(shí)間、融合速度以及融合液滴的最終位置皆可通過調(diào)節(jié)納米墻的類型、受限空間的高度以及液膜的初始尺寸來控制。揭示了受限空間中液滴的潤濕模型。提出了利用受限空間實(shí)現(xiàn)液滴自發(fā)融合的新方法。
　　(4)研究了

8、水與缺陷石墨烯的相互作用，探索Stone-Wales(SW)、單點(diǎn)(SV)和多點(diǎn)(DV)缺陷對石墨烯潤濕性及界面性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水滴在石墨烯表面的潤濕角對SW和SV缺陷很敏感。隨著溫度的升高，潤濕角減小，且對缺陷的敏感度降低。密度分布曲線表明石墨烯可以引起界面處的水由無序結(jié)構(gòu)向有序多層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，這些有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙水分子的擴(kuò)散。表面張力沿垂直于襯底表面方向的分布曲線顯示，固液表面張力在有SW缺陷的石墨烯表面遠(yuǎn)大于在其它缺陷表