纳米颗粒调控动态润湿行为的力学机制研究

Uniform and stable suspensions containing nanoparticles is termed as nanofluid. By changing geometric parameters and surface properties of nanoparticles, the dynamic wetting behaviors of nanofluids can be tuned effectively. This feature facilitates the nanofluid to show significant application prospects in various areas such as energy & environment, tribology & lubrication, biological medicine, etc.However, there is still no consensus on the mechanical mechanism of dynamic wetting behavior of nanofluids, which is the bottleneck for the further application of the tuned dynamic wetting behavior. Combining the methods of molecular dynamics simulation, experimental observation and theoretical analysis, this project investigates three core problems: (1) Mechanical mechanism of contact line movement under the action of nanoparticles. (2) Control and characterization of surface forces and intermolecular forces in nanofuilds. (3) Optimal design of geometric parameters and surface properties of nanoparticles. Moreover, we intend to propose the micromechanical mechanism of nanoparticle-tuned dynamic wetting behavior. This project is supposed to achieve several significant breakthroughs and make our original contribution to the application of the active controlled dynamic behavior of nanofluids.

含有纳米颗粒的均匀稳定溶液被称为是纳米流体。通过改变纳米颗粒的几何参数和表面性质可以有效地调控纳米流体的动态润湿行为。纳米流体的该特性使其在能源环境、摩擦润滑、生物医药等领域表现出重要的应用前景。在纳米颗粒调控动态润湿行为的研究中，纳米颗粒之间以及纳米颗粒与周围基液之间相互作用的表面力和分子间力是重要的决定因素。然而，纳米流体动态润湿行为的力学机制目前仍没有形成统一的认识，这极大限制了该可调控润湿行为的进一步应用。本申请项目拟采用分子动力学模拟、实验观测、理论建模相结合的方式，研究纳米颗粒影响接触线移动的力学机制、纳米流体中表面力和分子间力的调控与表征、纳米颗粒的几何参数和表面性质的优化设计这三个关键科学问题，提出纳米颗粒调控动态润湿的微观力学机制。本项目将力争取得一些突破性的研究成果，从而为纳米流体动态润湿行为主动调控的推广应用做出原创性的贡献。

本项目的主要研究内容包括以下三部分：a. 液滴铺展过程中的纳米颗粒对接触线运动机制的影响；b. 纳米流体液滴的蒸发；c. 动态润湿行为的尺寸效应与表面界面效应。经过项目研究团队三年多的努力，本项目研究按照项目申请时制定的研究计划，进展顺利。本项目专门开发了针对纳米流体复杂体系分子动力学模拟的前处理建模程序。采用分子动力学模拟的方法，详细地研究了纳米结构的尺寸、表面亲疏水性质、体积分数等对纳米流体液滴铺展行为和接触线动力学的影响。研究表明，纳米颗粒的表面亲疏水性对纳米流体的性质具有重要影响。表面疏水的纳米颗粒具有更高的移动性和扩散性，从而导致纳米流体更低的黏度，进一步影响其铺展行为。本项目将标度律的方法用于纳米流体液滴铺展行为的研究，结合模拟结果，证明了纳米颗粒对纳米流体液滴润湿行为的重要调控作用。纳米颗粒的加入，跟原来的基础液体相比，改变了纳米流体本身的表面张力，黏性力等属性，对纳米流体跟固体基底之间的相互作用也有一定的影响。根据本项目的研究目标要求，建立了一套研究纳米流体液滴蒸发的分子动力学模拟方法。基于此方法，研究了蒸发过程中接触线移动的分子机制，给出了蒸发过程中蒸发模式的转变和接触线发生钉扎及移动的判据。本项目研究了单个纳米颗粒在接触线附近的钉扎与去钉扎现象及其运动机制，讨论了其中的表面力与分子间力的作用，并得到了纳米颗粒不同的三种运动形态：(1)无迟滞滑动; (2)交替进行的钉扎-滑移模式；(3)完全钉扎。疏水基底上增强纳米颗粒与基底之间的作用力将会导致交替的钉扎-滑移现象，在此基础上提出了动态润湿行为的主动调控方案。本项目研究成果阐述了多种影响因素下纳米颗粒在三相接触线附近的钉扎与滑移现象，并给出了基于自由能理论的运动机制分析，为纳米颗粒在接触线附近的动态行为预测和纳米颗粒主动调控接触线运动提供了理论依据。在本项目的资助下，已经发表相关论文14篇，其中SCI论文13篇，圆满完成本项目的既定目标。