表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上运动

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015)064703表面能梯度驱动下纳米水滴在不同微结构表面上的运动张凯陆勇俊王峰会y(西北工业大学工程力学系,西安710129)(2014年7月19日收到;2014年9月12日收到修改稿)近年来,微观尺度下水滴在能量梯度表面上的运动情况受到了广泛关注,然而通过实验进行研究尚存在困难.本文利用分子动力学方法研究了不同微结构表面上纳米水滴在表面能梯度驱动下的运动情况.结果表明:槽状和柱状微结构可以明显提升纳米水滴在微结构表面上的运动效率,钉状微结构会降低纳米水滴的运动效率,尽管它具

2、有稳定的疏水性;结合槽状和钉状结构的混合状微结构兼具二者的优点,不但可以有效地提高纳米水滴在粗糙表面上的运动效率,而且具有比较高的疏水稳定性.此外,表面能的微小改变会明显影响水滴的运动效率.关键词:分子动力学模拟,表面能梯度,表面微结构,纳米水滴PACS:47.55.N–,47.61.–k,83.10.Rs,83.50.HaDOI:10.7498/aps.64.064703的拓扑微结构梯度使水滴在金属表面上产生张力1引言梯度的方法,研究了水滴的自发定向运动和冷凝滞留.文献[8,9]发现在具有表面自由能梯度的固体自然界中存在许多具有微米或者纳

3、米尺度微表面上,冷凝水滴在合适条件下也可以快速地自发结构的生物表面,它们能通过各种途径改变与水的1运动,速度最大可以达到1.5m
s,这一驱动力是相互作用,从而直接影响水在其表面的润湿性、黏由水滴与固体表面接触线两侧的张力不平衡引起附性、流动性等.近年来,受到大自然的启发,随着的.这一表面能梯度产生的驱动力为纳米技术的快速发展,对此类功能表面的研究和应用也越来越多,其中水滴在梯度表面上的运动就受dFY=LV(cosAcosR)dx;(1)到了广泛关注.Li等[1]研究发现电场和磁场的共(1)式中,LV指水的表面张力,A和R分别是

4、同作用可以使水分子在没有压力梯度存在的情况水滴在梯度表面上的前进接触角和后退接触角.下单向通过碳纳米管.文献[2—4]通过在表面上制图1是水滴在能量梯度表面上运动的横截面示意造热梯度来引导水滴的定向运动,这种类型的运动图,它直观地表明了表面能梯度驱动水滴运动的基是由热梯度引起水滴内部Marangoni流的结果.葛本原理,水滴是向着接触角减小的方向运动的.宋和陈民[5]利用分子动力学模拟详细分析了固体表面上液滴接触角与界面热阻的关系,发现两者之间存在比单值对应更为复杂的关系.Zheng等[6]研υ究了蜘蛛网上水滴的凝结和定向运动,发现在表面Ͱ

5、γSVθRθAᰴγSV能梯度和由几何形状引起的不同Laplace压力的共同作用下液滴可以定向运动,从而达到有效收集水滴的目的.最近,Sommers等[7]利用渐变规律表面图1液滴在能量梯度表面上横截面示意图国家自然科学基金(批准号:11372251)资助的课题.†通信作者.E-mail:fhwang@nwpu.edu.cn©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn064703-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015)064703随后,Hi

6、toshi和Satoshi[10]进一步完善了梯度和0.1553kcal
mol1;对于长程库仑力,q,q是ij表面上水滴的运动理论,他们使用离散模型把水滴原子所带电荷量,"0是介电常数,rij是两原子与基底表面接触的水层划分为有限个区域,然后将间的距离,在文中采用particle-particleparticle-每个区域看成一个固体颗粒,这样水滴运动时就可mesh(PPPM)[22;23]方法来处理.固体表面使用以像颗粒系统在固体表面上运动那样处理.从而得金属铂表面,对其仍用LJ势[24]:=2:845Å,S-S到如(2)式所示的水

7、滴运动速度表达式:"=7:8kcal
mol1.液体与固体表面的接触根S-S据Lorentz-Berthelot联合法则[25]使用修改的LJV=2Ik0sinh(fd);(2)势:式中,I是相邻离散区域间的距离;k0是解离常数;1=kT,其中,k是玻尔兹曼常数;T是热力=(+)/2;(4)BBijiijj学温度;f是施加在离散区域上的外力;d是每个"=cp"":(5)ijiijj离散区域的直径.可以看出速度与水滴所受合力f呈指数关系,也就是说即使降低很小幅度的表面黏根据(4)式可得长度参数为S-O=3:0055Å,然后滞力,

8、水滴的运动速度也会明显增加.另外,文献把固体表面从中间分为两部分,由于本文研究的需[11—16]通过分子动力学方法研究了表面能驱动下求,能量参数在研究过程中会变化,具体变化在下水