水在碳納米材料表面的潤濕性.pdf

1、潤濕性是固體材料表面的重要性能之一，具有不同潤濕性的納米材料在生產(chǎn)生活中有著廣闊的應(yīng)用前景。一般通過調(diào)節(jié)材料表面的微觀結(jié)構(gòu)可有效改變其潤濕性。此外，當(dāng)外界條件變化時(shí)，如施加外部電場，液滴在固體表面的潤濕性會發(fā)生明顯變化。現(xiàn)實(shí)生活中，人們經(jīng)常會遇到液滴融合現(xiàn)象，如自然界中云霧的形成、工程應(yīng)用中的乳化技術(shù)以及3D打印技術(shù)等等。固體表面潤濕性以及微觀幾何結(jié)構(gòu)對相接觸液膜的融合機(jī)制以及液滴的形態(tài)演變都有明顯影響。因此了解材料表面微觀結(jié)構(gòu)以及電場

2、等外界條件對固體表面潤濕性的影響以及液滴形態(tài)結(jié)構(gòu)演變行為，對獲得有效地調(diào)節(jié)固體表面潤濕性的方法及研制特殊反潤濕特性的納米材料具有重要意義。
　　本文中，我們利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了水在石墨烯以及碳納米管表面的形態(tài)演變行為以及外加電場對碳納米材料表面潤濕性的影響。揭示了界面性質(zhì)及各向異性表面結(jié)構(gòu)與水膜融合機(jī)制間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)了外加電場可以調(diào)節(jié)水滴在石墨烯表面的潤濕性。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)通過研究兩個(gè)等徑水膜

3、在石墨烯(G)、水平排列(HCNTA)以及垂直排列的碳納米管表面(VCNTA)的融合行為，探討了界面性質(zhì)對水膜融合行為的影響。研究結(jié)果表明在碳納米材料表面，相鄰水膜之間的液橋高度隨時(shí)間呈線性增長，液橋?qū)挾仍鲩L遵循指數(shù)為1/2的冪律法則。垂直于襯底方向，密度分布曲線上呈現(xiàn)兩處明顯的波峰，說明碳材料表面的水分子呈現(xiàn)分層有序結(jié)構(gòu)，這些有序結(jié)構(gòu)阻礙了水分子在此方向上的擴(kuò)散，進(jìn)一步影響了液橋高度增長的速度。
　　(2)探討了各向異性表面結(jié)構(gòu)

4、對水膜融合行為的影響。在不同粗糙度的碳納米管陣列表面，水膜間液橋高度增長呈線性增長，潤濕角較大的襯底表面液橋高度增長較快。對于相隔1(A)的兩個(gè)等徑水膜而言，在G和HCNTA表面上的水膜不再融合，而是各自收縮形成兩個(gè)獨(dú)立的半球形水滴。只有在VCNTA表面，兩液膜在毛細(xì)管力作用下最終才會融合成一個(gè)液滴。然而毛細(xì)管力的促進(jìn)作用是非常有限的，相距2(A)后，VCNTA表面的水膜將不再融合。此結(jié)果為通過調(diào)節(jié)襯底表面結(jié)構(gòu)來控制液膜的融合行為提供了

5、理論依據(jù)，在冷凝以及噴墨打印設(shè)計(jì)方面有重要應(yīng)用。
　　(3)研究了外靜電場下水滴在石墨烯表面的演變行為;探討了垂直電場對質(zhì)量密度分布、水分子極化、以及平均氫鍵數(shù)分布情況的影響。研究結(jié)果表明，隨著電場強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)平衡后水滴由半球形向圓錐形轉(zhuǎn)變，當(dāng)強(qiáng)度足夠大時(shí)則以柱狀形式存在。伴隨著形狀的改變，水分子的偶極取向也發(fā)生明顯變化，水分子結(jié)構(gòu)由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變。密度分布以及氫鍵分布曲線上存在兩個(gè)明顯的波峰，說明界面處水分子呈分層有