作者:赵亚溥等 来源:PRL 发布时间:2010-8-25 13:04:04
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电弹性毛细模拟研究获进展

图1. 力学所的论文被选为《物理评论快报》第104卷第24期的封面。该图说明了该课题组所提出的“电弹性毛细”现象的动力学过程以及前驱膜和弹性软膜之间的相互作用。
 

图2. 润湿和电润湿过程。
 

图3. 液滴润湿过程中,不同区域内水分子的迹线。
 
在国家科技部、中国科学院和国家自然科学基金委员会的大力支持下,中国科学院力学研究所“微纳系统力学与物理力学课题组”在液滴润湿、电润湿和电弹性毛细现象的分子动力学模拟方面取得新进展,研究成果作为封面论文发表在美国《物理评论快报》(PRL)上(Yuan QZ and Zhao YP*. Precursor film in dynamic wetting, electrowetting and electro-elasto-capillarity. Physical Review Letters, 104 (24): 268101 (2010))(图1)。
 
动态润湿在物理、化学、生物等基础学科,以及航空航天、汽车、石油等工业的发展中都发挥着重要的作用,属于“移动接触线(Moving Contact Line, MCL)”这一经典问题。近年来,由于在微纳流控、芯片上的实验室、微纳透镜、电子显示等方面的突出应用,动态电润湿受到了广泛的关注。移动接触线问题存在着一个重要的“佯谬(paradox)”——Huh & Scriven佯谬。液滴铺展的名义接触线的前端在分离压力的作用下,有一层非常薄(1-2个分子层厚)的前驱膜(precursor film)。前驱膜对于润湿和电润湿的过程至关重要,体现在:(1)在润湿过程中,首先是前驱膜铺展,然后液滴在前驱膜上铺展。 (2)在电润湿过程中,前驱膜内电场能的大小已经和热能大小相当,使得前驱膜体现出特殊的性质。然而,从未开展过对于动态电润湿中前驱膜的研究,对于动态润湿中的前驱膜的认识仍然十分匮乏。
 
中国科学院力学研究所的博士生袁泉子和导师赵亚溥研究员通过分子动力学(MD)和分子动理论(molecular kinetic theory, MKT)相结合的方法,研究了液滴润湿、电润湿和电弹性毛细现象中的前驱膜的作用,在如下方面取得突出进展:
 
1. 在动态润湿和动态电润湿过程中前驱膜的行为方面(图2),发现:(1)前驱膜的铺展半径R和铺展时间t呈幂函数关系(),其中指数是电场强度的函数;(2)前驱膜的铺展速度很快,是液滴表面原子扩散到前驱膜前端的结果(图3);(3)前驱膜内有特殊的二维氢键网络(图2e);(4)由于基底的限制作用,前驱膜是类固体(solid-like)性质,其自扩散系数比体相水(bulk water)要小很多。前驱膜通过引入原子细节来消除由非滑移边界条件导致的接触区域无穷大的能量耗散,可以作为移动接触线问题“Huh & Scriven佯谬”的答案之一。
 
2. 首次应用分子动力学模拟实现了课题组提出的“电弹性毛细(Electro-Elasto-Capillarity, EEC)”现象。当液滴的尺寸超过“弹性毛细长度”,弹性软膜会自发地包裹液滴。当系统中引入外电场,又会发生“电弹性毛细”现象,即通过电场力作用使得前驱膜将弹性软膜撑开(图1)。“电弹性毛细”现象显示了前驱膜在电润湿过程中的重要作用,也展示了前驱膜在微纳药物输运方面潜在的应用前景。
 
《物理评论快报》的审稿人高度评价了该工作:“The Letter suggests a novel mechanism of contact line propagation and provides an important contribution to studies of dynamics of wetting.”(译文:该篇快报提出了接触线铺展一个新颖的机制,为动态润湿方面的研究做出了重要的贡献。)“The paper raises a lot of fundamental and technical questions。”(译文:该文提出了很多基础和技术方面的问题。)由于该文的新颖性和重要性,《物理评论快报》将该文选为第104卷第24期的封面论文。(来源:中国科学院力学研究所)
 
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