碳納米材料表面液滴的潤濕性.pdf

1、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注，特別是上世紀90年代德國波恩大學Barthlott和Neinhuis揭示“荷葉效應”機理后，在世界范圍內掀起了一股關于潤濕性研究的熱潮。2005年，德國康斯坦茨大學的Habenicht在《自然》報道薄金片經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和自組裝技術上，例如，醫(yī)學上可以用

2、激光誘發(fā)藥物顆粒打向癌癥細胞。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構和受限空間的尺寸，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都具有非常重要的科學意義。
　　本文利

3、用分子動力學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的一個重大目標。通過研究經納米微結構修飾的石墨烯表面銅液滴的潤濕行為，探討微結構尺寸、溫度和銅液膜初始形狀和尺寸對潤濕行為的影響。結果表明在修飾的石墨烯表面，超薄銅液膜在表面張力作

4、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。通過調整液膜或石墨烯表面微結構的幾何參數(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

5、圓形銅液膜并未直接融合形成一個液滴，而是需要經歷兩個階段:(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管力的作用下逐漸融合形成一個大液

6、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構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成。首先考慮一個液滴的反潤濕行為，結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

7、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12～80(A)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

8、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的影響。結果發(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構向有序多層結構的轉變，這些有序結構的產生嚴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大于在其它缺陷表