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王一博同学在《The Journal of Physical Chemistry C》发表论文

发布日期:2019-08-24

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聚合物纳米液滴撞击固体表面的研究,提出了聚合物纳米液滴最大铺展因子的理论模型,为理解3D聚合物打印和人体组织、器官等生物材料打印做出了贡献。研究成果发表在美国化学学会期刊The Journal of Physical Chemistry C,论文标题为The maximum spreading factor for polymer nanodroplets impacting a hydrophobic solid surface,论文第一作者为王一博同学,第三作者为杨燕茹老师王晓东教授陈民教授为共同通讯作者

理解纳米液滴撞击固体表面的动力学行为和特性是发展纳米喷墨、涂覆及纳米级3D打印技术的关键问题。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以上工业应用中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。近些年,尽管相关研究已经提出纳米液滴最大铺展因子模型,但这些模型仅针对水等简单流体。对于复杂流体,例如聚合物等,纳米液滴撞击表面后的铺展机理是否与简单流体相同?基于简单流体发展的模型是否可用于预测聚合物纳米液滴的最大铺展因子?回答这些问题需要开展相关研究。


论文概述

论文对典型的线型聚合物纳米液滴撞击固体表面进行了研究,发现无论是传统宏观血液液滴模型还是现有的纳米尺度水液滴模型均不能准确预测聚合物纳米液滴的最大铺展因子造成模型失效的主要原因聚合物纳米液滴特有的粘性耗散机制。聚合物纳米液滴的粘性耗散由撞击方向和铺展方向速度梯度共同决定然而宏观血液液滴和纳米水液滴的速度梯度主要来源于撞击方向的速度梯度。基于不同的耗散机制,论文通过修正粘性耗散项,提出了预测聚合物纳米液滴最大铺展因子理论模型。论文采用分子动力学模拟得到了40100不同链长的聚合物纳米液滴的最大铺展因子,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。

(图中结果显示,不同链长的聚合物纳米液滴的粘性耗散均由撞击方向和铺展方向的速度梯度共同导致)


(图为聚合物纳米液滴最大铺展因子理论模型


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


论文得到了国家杰出青年科学基金(51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(5182100451621062)和中央高校基本科研业务费专项资金(2109QN0152017ZZD006)的资助。


撰稿人:王一博