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王一博同学在《Langmuir》上发表论文

发布日期:2020-08-20

华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与清华大学航天航空学院陈民教授合作开展了纳米液滴撞击不同浸润性固体表面的研究,在物理化学领域国际期刊Langmuir上刊登了研究成果,论文题目为“Universal Model for the Maximum Spreading Factor of Impacting Nanodroplets: From Hydrophilic to Hydrophobic Surfaces,论文第一作者为王一博同学第二作者为王一峰同学,第三作者为高淑蓉老师作者为杨燕茹老师王晓东教授陈民教授为共同通讯作者。

能否精确判断纳米液滴撞击固体表面后的最大铺展因子对发展纳米喷墨、涂覆及纳米级3D打印的参数设计至关重要。已有研究表明,当液滴的大小从宏观尺度降低到纳米尺度时,由于其比表面积显著增大,粘性耗散机制发生改变,导致传统宏观尺度液滴的最大铺展因子理论模型不再适用于纳米尺度液滴。近年来,尽管相关研究已经提出纳米液滴最大铺展因子模型,但这些模型仅仅适用于疏水表面然而,在纳米喷墨、涂覆及纳米级3D打印等领域中,固体表面往往是亲水表面。基于疏水表面发展的模型是否可用于预测亲水固体表面的最大铺展因子?纳米液滴撞击疏水固体表面和亲水固体表面的铺展机理是否相同?表面浸润性对纳米液滴撞击固体表面的动力学行为有何影响?以上问题仍尚不清楚,因此需要开展相关研究。


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【论文概述】

论文对纳米液滴撞击不同浸润性固体表面进行了研究,发现无论是适用于不同浸润性的传统宏观模型还是现有的纳米液滴撞击疏水表面模型均不能准确预测纳米液滴撞击亲水表面的最大铺展因子。造成现有模型失效的主要原因是对纳米液滴铺展速度的错误估计导致的,现有的宏观和纳米液滴模型均假设液滴的铺展速度为常数。然而,论文发现纳米液滴的铺展速度不仅依赖于表面浸润性同时取决于液滴的韦伯数。本文通过修正纳米液滴的铺展速度得到了不同浸润性和不同韦伯数下纳米液滴铺展速度的通用函数。基于新的纳米液滴铺展速度,修正了纳米液滴的粘性耗散表达式,提出了适用于纳米液滴撞击不同浸润性表面的通用理论模型。论文采用分子动力学模拟,得到了纳米液滴撞击不同浸润性表面(接触角范围为21°~148°的最大铺展因子,将模拟结果与理论模型预测结果进行对比,验证了理论模型的有效性。此外,本文进一步证明了对于纳米尺度液滴,通过修正粘性耗散项比修正表面能项更能合理的表征表面浸润性对纳米液滴最大铺展因子的影响

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(图为表面浸润性和韦伯数对纳米液滴铺展速度的影响以及对纳米液滴铺展速度重新标度的结果


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(图中结果显示,论文提出的理论模型预测结果与模拟结果非常吻合)

论文得到了国家自然科学基金重点项目(No. 51936004)、国家杰出青年科学基金(No. 51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(No. 51821004)、中央高校基础研究经费(No. 2020MS060)资助。



撰稿人:王一博