自洁仿生薄膜吸附模拟研究

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1、航天器环境工程第30卷第2期自洁仿生薄膜吸附模拟研究吴晓宏1，易忠2，石小凤1(1．哈尔滨工业大学空间表面化学工程与防护研究中心，哈尔滨150001；2．北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094)摘要：固体表面的自清洁性一直深受研究人员的关注，但对其微观机理尚缺乏深入研究。文章利用分子动力学原理，对以ZnO为基底的纳结构表面自清洁效果进行了模拟仿真，探讨了方柱状纳结构尺寸对其自清洁性能的影响规律，进而优化纳结构模型。结果表明，自洁效果最好的纳结构表面尺寸为：柱高度7

2、．05A，柱边长7．38A，柱侧边距2．16A，最大接触角140．8。：同时，与Wenzel模型相比，模拟接触角与Cassie模型的预测值更能保持一致。关键词：自清洁；Wenzel模型；Cassie模型；方柱状纳结构；分子动力学模拟中图分类号：V524．3文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)02—0122—04DOI：10．3969／j．issn．t673-1379．2013．02．002自20世纪70年代以来，荷叶表面的白清洁效果引起了人们的极大兴趣[1]o荷叶的这种超疏水白

3、洁性能往往以接触角为衡量指标【2J，接触角大于90。时，表面具有自洁特性；接触角小于900时，则不具备自洁性能。研究发现，通过构筑合适的表面微观结构，得到类荷叶的超疏水自清洁仿生表面，即可降低污染物吸附【3圳。这一发现为人工构筑自清洁表面提供了灵感，也为航天器防污染技术提供了新思路。但是，对自清洁表面微观结构的研究依然停留于实验阶段，缺乏对表面微观结构的深层次理解；而分子动力学模拟方法【5J是研究微观吸附机理的有效方法，恰好可以弥补这一不足。本文采用水分子为污染物，以ZnO为基底，模仿荷叶微观结

4、构，利用分子动力学原理对纳结构表面进行白清洁效果仿真，建立具有自洁效果的纳结构及其表面污染物吸附模型，并讨论纳结构尺寸对自清洁性能的影响，进而优化纳结构模型。该研究将为在航天器关键部件上应用自洁防污染薄膜打下坚实的理论基础。1模拟方法及参数选用MaterialsSn埘o【6J为建模软件，以LAMMPS【7J作为计算软件。在整个计算过程中，采用NVT系综，同时在X、y和z方向上均选用周期性边界条件，侧面尺寸为250Ax250A；在高度方向上，为防止周期性镜像中上方壁面对液滴产生影响，模拟盒的高度选

5、为300nin。结合使用CVFF和CHARMM两种力场，水分子之间采用SPC／E模型，ZnO原子间使用Buckingham势，非成键部分作用选用Lennard—Jones势函数。模拟体系初始时，水分子恰好置于ZnO表面上方。设定体系初始温度为298．15K，利用速度分配函数赋予粒子初始速度。运动方程采用leap—frog算法峭J进行积分，时间步长为5fS，对体系进行2US的平衡计算。2建立表面污染物吸附模型超疏水自洁表面制备技术的关键就是要构建合适的表面微观结构，其中纳结构表面设计是分子动力学模

6、拟过程中自洁性能研究的基础工作。本文采用的是方柱状纳结构表面模型，并以表面的接触角大小作为自洁效果的衡量标准——接触角越大，自洁效果越好。模拟体系初始时，水分子共5000个，初始结构呈立方形，恰好置于ZnO表面上方。图1和图2分别表示ZnO完美表面和纳结构表面的仿真初始模型。收稿日期：2012—12—30；修回日期：2013-03．22基金项目：可靠性与环境工程技术重点实验室开放基金项目(编号：KHZS-2011-3一KFJJ002)；中国科技部(编号：2010DFRl0720)作者简介：吴晓宏

7、(1977一)，女，教授，博士生导师，主要从事空间表面功能化与防护技术研究。E．mail：wuxiaohong@hit，edu．cn。第4期昊晓宏等：自洁仿生薄膜吸附模拟研究123图1ZnO完美表面仿真初始模型Fig．1TheinitialsimulationmodelofZnOsmoothsurface图2ZnO纳结构表面仿真初始模型Fig．2TheinitialsimulationmodelofZnOnanostructuresurface3纳结构表面微观结构尺寸优化3．1完美表面与纳结构表

8、面模拟后吸附模型状态图3所示为水分子体系模拟2as后的最终状态，其中图3(a)为模拟后ZnO完美表面的最终状态，图3(b)为模拟后ZnO纳结构表面的最终状态。从图3可以看出，在有纳结构的ZnO表面，水分子的排列更接近于球形，接触角明显大于90。，说明ZnO纳结构表面的水分子不能浸润，其表面白洁性能得到提高；而ZnO完美表面的接触角小于900，不具备自洁性能。一(a)ZnO完美表面(b)ZnO纳结构表血图3体系模拟2ns后的最终状态Fig．3Thefinalstateafter2nssimulat