【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】1805年，英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊(Thomas Young)在研究潤(rùn)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(lái)，楊氏方程已成為潤(rùn)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(wèn)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(méi)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(cè)量，楊氏方程的驗(yàn)證一直存在著爭(zhēng)議。
近日，中國(guó)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(rùn)濕方程，表達(dá)式為：γsg-γSL=γLgCOSθ，適用于均勻表面和固液間無(wú)特殊作用的平衡狀態(tài)。界面化學(xué)的基本方程之一。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，中國(guó)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(duì)其進(jìn)行分解，找到了一種新的方法來(lái)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(mén)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(lái)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(duì)毛細(xì)力具有重要影響。該研究不僅為深刻理解界面潤(rùn)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(lái)源：百科、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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