微納尺度下表面電荷對(duì)固液界面液體流動(dòng)阻力影響的研究.pdf

1、近些年來，微納米技術(shù)逐漸成為了許多科學(xué)和技術(shù)人才的研究熱點(diǎn)。相對(duì)于宏觀尺度來說，微納米管尺寸的通道內(nèi)壁表面積與體積之間比例較大，因此，當(dāng)液體在固體通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，固體表面會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的液體產(chǎn)生一個(gè)阻力。于是，如何減小固液界面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力，增大液體流速是一個(gè)重要的研究課題。
　　在微納尺度下，固液界面上的表面電荷和邊界滑移被認(rèn)為是影響固液界面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力的兩個(gè)重要因素。本文以理論分析為基礎(chǔ)，輔以實(shí)驗(yàn)分析的方法，較為全面系統(tǒng)的分析了表

2、面電荷、邊界滑移以及電粘度效應(yīng)三者之間的相互影響機(jī)理，總結(jié)了表面電荷對(duì)固液界面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力的影響，為找到一種方法在微納尺度下提高液體流速提供了理論支持。
　　在以往的研究中，邊界滑移隨表面電荷密度的變化在研究電粘度效應(yīng)的影響時(shí)常被忽略。本文首先建立了表面電荷密度與邊界滑移和電粘度效應(yīng)對(duì)液體流動(dòng)綜合影響的模型，并進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明表面電荷密度的減小會(huì)減弱電粘度效應(yīng)，從而減小固液界面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力，增大液體流速。同時(shí)，隨

3、表面電荷密度減小而增大的邊界滑移長度也增大了液體流速。然而，增大的邊界滑移長度同時(shí)又會(huì)增大電粘度效應(yīng)，削弱了由表面電荷密度減小所帶來的流體增速。
　　本文其次建立了表面電荷密度與靜電場力關(guān)系的模型，并介紹一種基于AFM的表面電荷密度測量方法。然后，將自制的高硼硅酸鹽玻璃和十三烷基三氯硅烷（OTS）的表面浸入不同離子濃度的鹽溶液中，根據(jù)表面電荷密度與靜電力的關(guān)系模型，通過使用AF M測量所得到的靜電場力數(shù)據(jù)以及所求出的常用球體表面電

4、荷密度可以求得不同離子濃度的鹽溶液中OTS表面的表面電荷密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在鹽溶液中，玻璃表面以及OTS表面均帶有負(fù)電荷，且靜電力的大小隨分離距離的增加而衰減，離子濃度越大，衰減速度越快；并且，玻璃表面以及OTS表面的表面電荷密度隨離子濃度的增加而增大，為表面電荷對(duì)固液界面間液體流動(dòng)阻力的影響提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　本文最后通過實(shí)驗(yàn)測得OTS表面在不同離子濃度鹽溶液中邊界滑移長度的變化，OTS表面邊界滑移長度隨離子濃度的增大而

5、減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了邊界滑移長度隨表面電荷密度的增大而減小的理論。從而，找到了一種有效方法，可以通過減小離子濃度來增大邊界滑移的長度，從而減小固液界面間液體的流動(dòng)阻力。
　　綜合以上理論及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，本文通過借助離子濃度來改變表面電荷，全面的討論了表面電荷、邊界滑移以及電粘度效應(yīng)的綜合影響，認(rèn)為在微納尺度下，表面電荷密度對(duì)固液界面間液體流動(dòng)阻力有著極大的影響，因此，找到一種方法，減小表面電荷，可以大幅度的減小固液界面間液體的流動(dòng)