固液界面表面電荷對微納米尺度流體阻力影響的研究.pdf

1、近年來，微納米流體系統(tǒng)在機械、物理、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但是由于微納米流體系統(tǒng)越來越小的尺寸以及越來越大的表面積-體積比使得微納米流體系統(tǒng)的固液界面上存在著較大的流體阻力，因此如何減小微納米流體系統(tǒng)的流體阻力已經(jīng)成為目前學(xué)者們研究的熱點問題之一。雖然大量的理論和實驗研究結(jié)果表明固液界面表面電荷和邊界滑移特性會對微納米尺度的流體阻力產(chǎn)生影響，但是目前在固液界面表面電荷對邊界滑移影響方面的研究并不充分，而且尚不存在表

2、面電荷和邊界滑移之間的耦合效應(yīng)對固液界面流體阻力影響的研究。本文應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)實現(xiàn)了固液界面表面電荷密度和邊界滑移條件的測量和研究，實驗研究了固液界面表面電荷對邊界滑移條件的影響，進而綜合考慮表面電荷對邊界滑移的影響，理論研究了微納米尺度下固液界面表面電荷對流體阻力的影響，并提出了減小表面電荷對流體阻力影響的理論模型。
　　本文提出了一種基于AFM接觸模式的固液界面表面電荷密度測量方法。首先建立了液體環(huán)境下 AFM實驗

3、系統(tǒng)所用膠體探針和樣本的表面電荷密度與AFM膠體探針所受靜電力之間的理論模型；利用理論模型分析 AFM實驗測得的靜電力數(shù)據(jù)以實現(xiàn)固液界面表面電荷密度的測量?；谶@種方法測量了浸于去離子水和NaCl溶液中的高硼硅玻璃以及二氧化硅樣本的表面電荷密度并分析了這些固液界面表面電荷產(chǎn)生的機理，同時還研究了溶液 pH值和離子濃度對固液界面表面電荷密度的影響。
　　隨后采用納米粒子-粘合劑系統(tǒng)通過改變表面粗糙度的方法制備了多種具有不同潤濕性的樣

4、本，研究了去離子水，十六烷和乙二醇液滴在這些樣本表面的潤濕性，并分析不同固液界面所具有的不同表面潤濕性的原因。同時利用AFM接觸模式測量了具有不同表面潤濕性的樣本在去離子水，十六烷和乙二醇中的邊界滑移長度，研究了不同固液界面的邊界滑移特性及其固液界面邊界滑移特性的影響因素和變化機理。
　　在利用AFM接觸模式實現(xiàn)了固液界面表面電荷密度和邊界滑移的測量之后，通過改變?nèi)芤?pH值以及施加外加電場的方法，以浸在去離子水和NaCl溶液中的

5、十八烷基三氯硅烷(OTS)自組裝單分子膜作為實驗環(huán)境研究了溶液pH值和外加電場對固液界面表面電荷密度和邊界滑移的影響，并以此研究了微納米尺度下固液界面表面電荷對邊界滑移的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)固液界面表面電荷密度絕對值越大邊界滑移長度越小。固液界面表面電荷對邊界滑移影響的研究為精確分析固液界面表面電荷密度對流體阻力的影響提供了可能。
　　最后，以一維雙平板微管內(nèi)的壓力驅(qū)動流為例，綜合考慮表面電荷對邊界滑移的影響，建立了固液界面表面電荷

6、引起的雙電層對微米尺度壓力驅(qū)動流流體阻力影響的理論模型，分析了固液界面表面電荷對微納米流體系統(tǒng)流體阻力的影響以及這種影響的尺度依賴性。研究發(fā)現(xiàn)固液界面表面電荷會增加流體阻力，同時邊界滑移的存在會進一步增加表面電荷對流體阻力的影響。在該理論模型的基礎(chǔ)上通過改變一維微通道模型上下壁面之間表面電荷密度的比值，提出了一種減小固液界面表面電荷對微通道流體阻力影響的理論模型，理論研究發(fā)現(xiàn)當一維微通道模型上下壁面具有大小相同符號相反的表面電荷密度時，