本文關(guān)鍵詞：碳納米材料表面液滴的潤濕性，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：潤濕是自然界中常見的現(xiàn)象之一。材料表面的潤濕性早已引起人們廣泛關(guān)注,特別是上世紀(jì)90年代德國波恩大學(xué)Barthlott和Neinhuis揭示“荷葉效應(yīng)”機理后,在世界范圍內(nèi)掀起了一股關(guān)于潤濕性研究的熱潮。2005年,德國康斯坦茨大學(xué)的Habenicht在《自然》報道薄金片經(jīng)激光加熱后在石墨表面會收縮形成液滴并最終脫離石墨表面,此現(xiàn)象也被稱為金屬液滴的反潤濕現(xiàn)象。激光誘發(fā)的反潤濕現(xiàn)象有望被用在定向納米技術(shù)和自組裝技術(shù)上,例如,醫(yī)學(xué)上可以用激光誘發(fā)藥物顆粒打向癌癥細(xì)胞。此外,液體與材料表面相互作用時會出現(xiàn)斷裂或融合。斷裂和融合是多個領(lǐng)域中的兩個重要過程,例如自然界中云朵的聚散、降雨,工業(yè)上牛奶的加工、材料的成型及醫(yī)學(xué)上血液的輸運。材料表面液滴的形態(tài)演變、潤濕性及反潤濕行為取決于液滴的溫度以及襯底表面微結(jié)構(gòu)和受限空間的尺寸,研究這些因素對潤濕性和液滴形態(tài)演變行為的影響,對于完善潤濕理論、改進界面材料加工工藝和開發(fā)先進的材料制備技術(shù)都具有非常重要的科學(xué)意義。本文利用分子動力學(xué)方法深入研究了銅液滴和水在碳納米管和石墨烯表面的潤濕和形態(tài)演變行為,揭示納米尺度下液滴的潤濕與反潤濕機理以及金屬液滴的形態(tài)演變規(guī)律,提出利用受限空間實現(xiàn)液滴自發(fā)融合的新方法。主要內(nèi)容如下：(1)納米尺度下控制液滴的潤濕性和運動是納米技術(shù)的一個重大目標(biāo)。通過研究經(jīng)納米微結(jié)構(gòu)修飾的石墨烯表面銅液滴的潤濕行為,探討微結(jié)構(gòu)尺寸、溫度和銅液膜初始形狀和尺寸對潤濕行為的影響。結(jié)果表明在修飾的石墨烯表面,超薄銅液膜在表面張力作用下迅速收縮形成液滴,該液滴在慣性力作用下脫離石墨烯。液滴的整個脫離過程僅需幾納秒。通過調(diào)整液膜或石墨烯表面微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù),可以有效控制液膜的收縮及脫離的時間和速度。此外,提高溫度有助于金屬液膜的收縮和液滴的脫離。此研究結(jié)果為有效利用和控制金屬液滴的反潤濕性提供理論依據(jù)。(2)在多數(shù)情況下,相互接觸的兩個液滴有直接融合形成一個大液滴的趨勢,以降低表面能。通過研究銅液膜在石墨烯和碳納米管表面的形態(tài)演變行為,發(fā)現(xiàn)兩個剛好接觸的圓形銅液膜并未直接融合形成一個液滴,而是需要經(jīng)歷兩個階段：(Ⅰ)液膜的收縮和斷裂階段,(Ⅱ)液滴的融合階段。兩個液膜在接觸區(qū)形成一個小液橋,液橋在液膜收縮過程中逐漸變小,然后斷裂,兩個液膜也斷裂形成兩個獨立的液滴。兩個分離的液滴在慣性力作用下脫離襯底表面,同時逐漸彼此靠近,直到兩個液滴再次接觸。斷裂階段中液橋的存在使兩個液滴擁有相向的分速度,從而使兩個分開的液滴相互靠近。在融合階段,接觸后的兩個液滴在毛細(xì)管力的作用下逐漸融合形成一個大液滴。此外,通過分析銅液滴的均方位移、速度場和密度分布圖,討論了碳納米材料表面微結(jié)構(gòu)尤其是碳納米管表面對液滴形態(tài)演變行為的影響。(3)研究二維受限空間中銅液滴的潤濕行為和自發(fā)融合過程。此二維空間由兩面平行的納米墻構(gòu)成,每面納米墻由雙層石墨烯、水平放置的碳納米管或垂直放置的碳納米管構(gòu)成。首先考慮一個液滴的反潤濕行為,結(jié)果顯示銅液滴在二維受限空間中最終呈現(xiàn)三種狀態(tài)：未脫離狀態(tài)、半脫離狀態(tài)和全脫離狀態(tài),這取決于受限空間的高度。未脫離狀態(tài)下,銅液滴的接觸角在125°-177°之間,固液接觸面的半徑在12-80A之間。全脫離狀態(tài)下,脫離液滴的運動時間與受限空間的高度成正比。在研究兩個液滴的反潤濕行為時,發(fā)現(xiàn)兩個靜態(tài)液滴在受限空間中可以自發(fā)的融合形成一個液滴,而且融合時間、融合速度以及融合液滴的最終位置皆可通過調(diào)節(jié)納米墻的類型、受限空間的高度以及液膜的初始尺寸來控制。揭示了受限空間中液滴的潤濕模型。提出了利用受限空間實現(xiàn)液滴自發(fā)融合的新方法。(4)研究了水與缺陷石墨烯的相互作用,探索Stone-Wales(SW)、單點(SV)和多點(DV)缺陷對石墨烯潤濕性及界面性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水滴在石墨烯表面的潤濕角對SW和SV缺陷很敏感。隨著溫度的升高,潤濕角減小,且對缺陷的敏感度降低。密度分布曲線表明石墨烯可以引起界面處的水由無序結(jié)構(gòu)向有序多層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,這些有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙水分子的擴散。表面張力沿垂直于襯底表面方向的分布曲線顯示,固液表面張力在有SW缺陷的石墨烯表面遠(yuǎn)大于在其它缺陷表面,這正是水滴接觸角對SW缺陷特別敏感的原因。此結(jié)果有助于石墨烯潤濕性的控制以及石墨烯納米電子器件的開發(fā)與應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：分子動力學(xué)方法 石墨烯 碳納米管 銅液滴 潤濕性
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11;TB383.1;O647.5
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 本文的創(chuàng)新點16-17
• 第一章 緒論17-43
• 1.1 前言17-18
• 1.2 潤濕機理18-21
• 1.2.1 表面張力與接觸角18-19
• 1.2.2 經(jīng)典的Wenzel和Cassie潤濕模型19-21
• 1.3 材料表面的潤濕現(xiàn)象21-29
• 1.3.1 自然界中的潤濕現(xiàn)象21-23
• 1.3.2 碳納米材料表面的潤濕性23-24
• 1.3.3 金屬液滴的反潤濕現(xiàn)象24-27
• 1.3.4 潤濕性的控制27-29
• 1.4 液滴的形態(tài)演變29-32
• 1.4.1 自相似理論29-31
• 1.4.2 液滴的斷裂與融合31-32
• 1.4.3 液滴噴射技術(shù)32
• 1.5 本課題的研究意義和主要研究內(nèi)容32-33
• 參考文獻33-43
• 第二章 研究方法43-59
• 2.1 引言43-44
• 2.2 分子動力學(xué)方法基本理論44-52
• 2.2.1 勢函數(shù)45-49
• 2.2.2 Velocity-Verlet算法49-50
• 2.2.3 邊界條件50-51
• 2.2.4 系綜51-52
• 2.3 分析方法52-53
• 2.3.1 密度分布函數(shù)52-53
• 2.3.2 均方位移53
• 參考文獻53-59
• 第三章 納米柱修飾石墨烯表面銅液滴的反潤濕性59-73
• 3.1 引言59
• 3.2 模型構(gòu)建與模擬過程59-61
• 3.3 結(jié)果與討論61-69
• 3.3.1 碳納米材料表面的反潤濕現(xiàn)象61-64
• 3.3.2 碳納米材料表面微結(jié)構(gòu)對其反潤濕性的影響64-66
• 3.3.3 銅液膜初始形狀對碳納米材料表面反潤濕性的影響66-68
• 3.3.4 溫度對碳納米材料表面反潤濕性的影響68-69
• 3.4 本章小結(jié)69-70
• 參考文獻70-73
• 第四章 銅液膜在碳納米材料表面反常的融合行為73-89
• 4.1 引言73
• 4.2 模型構(gòu)建與模擬過程73-74
• 4.3 結(jié)果與討論74-85
• 4.3.1 銅液膜在石墨烯表面反常的融合行為75-78
• 4.3.2 銅液膜在碳納米管表面反常的融合行為78-80
• 4.3.3 碳納米材料表面銅原子的擴散性80-83
• 4.3.4 液滴的液態(tài)結(jié)構(gòu)演變及液橋自相似性83-85
• 4.4 本章小結(jié)85
• 參考文獻85-89
• 第五章 受限空間中銅液滴潤濕性及銅液膜自發(fā)融合行為89-107
• 5.1 引言89
• 5.2 模型構(gòu)建與模擬過程89-91
• 5.3 結(jié)果與討論91-101
• 5.3.1 受限空間中銅液滴的潤濕性91-96
• 5.3.2 受限空間中銅液滴的反潤濕性96-97
• 5.3.3 受限空間中銅液膜的自發(fā)融合行為97-100
• 5.3.4 初始條件對銅液膜自發(fā)融合行為的影響100-101
• 5.4 本章小結(jié)101-102
• 參考文獻102-107
• 第六章 缺陷石墨烯表面水滴的潤濕性及界面性質(zhì)107-121
• 6.1 引言107
• 6.2 模型構(gòu)建與模擬過程107-109
• 6.3 結(jié)果的分析與討論109-116
• 6.3.1 石墨烯的潤濕性109-113
• 6.3.2 水分子的擴散性113-114
• 6.3.3 水-石墨烯固液界面結(jié)構(gòu)114-116
• 6.4 本章小結(jié)116
• 參考文獻116-121
• 第七章 總結(jié)與展望121-123
• 7.1 結(jié)論121-122
• 7.2 展望122-123
• 致謝123-125
• 附錄125-127
• 外文文章127-161
• 附件161

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：碳納米材料表面液滴的潤濕性，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：298327