微纳结构表面上润湿和电润湿动力学的跨尺度研究

Owing to the surface topology, the micro/nano structured surfaces influence and control the dynamic behaviors of wetting and electrowetting, as well as the wettability of the solid surfaces from the atomic, microscopic to the macroscopic level. The dynamics of wetting and electrowetting on micro/nano structured surfaces is typically a multifield and multiscale interface dynamic problem, which is of great importance in theoretic research and is also the key technology to control the liquid transport in the application fields as biomedicine, energy, aerospace and etc. Employing a combined approach of multiscale experiments, numerical simulations and theoretic modeling, this project undertakes a systematic, in-depth and quantitative study focusing on the dynamic behaviors of wetting and electrowetting on micro/nano structured surfaces. In the "mechano-electro-thermal-chemical" multifield coupled environment, the effects of micro/nano structure, stiff and flexible structure, interface tension and etc. on the dynamics of wetting and electrowetting on the micro/nano structured surfaces would be quantitatively studied. This project targets to expand the knowledge about the dynamics of wetting and electrowetting on micro/nano structured surfaces, explore the mechanisms of influence of the micro/nano structure on the surface wettability, optimize the topology of surface structure, discover new wetting phenomena, provide theoretic support and design guidance to develop new technology in the application fields.

微纳结构表面通过固体表面的拓扑特性，从原子尺度、微观尺度到宏观尺度上影响和控制液体在固体表面的动态润湿和电润湿行为，改变固体表面的润湿性能。微纳结构表面上的润湿和电润湿动力学是一个典型的多场耦合、跨尺度的界面动力学问题，具有重要的学术研究意义，也是生物医药、能源电池、航空航天等应用领域内可控输运、提高效率的关键技术。本课题拟通过实验研究、数值模拟和理论建模相互结合、相互补充的研究方法，对微纳结构表面上的动态润湿和电润湿行为展开系统、深入、定量化的研究：在"力-电-热-化学"等多场耦合环境中，定量地探索微纳结构的拓扑特性、刚性/柔性结构、界面张力等性质对于润湿和电润湿动态过程的影响。期望通过本项目的开展，有助于进一步认识和理解液体在微纳结构表面润湿和电润湿的动力学规律，揭示微纳结构影响润湿特性的物理机制，优化表面微纳结构，预测和发现新的润湿现象，为应用领域发展新的技术提供理论依据和设计指导。

微纳结构表面通过固体表面的拓扑特性，改变固体润湿性能，影响和控制液体在固体表面的润湿和电润湿行为。微纳结构表面上润湿和电润湿动力学具有重要的学术研究意义，也是能源、生命、军事等应用领域内可控润湿、提高效率的关键技术。通过跨尺度实验、模拟和理论相结合的方法，开展了系统、深入、定量化的研究，取得了如下研究成果：.1. 从原子层次到连续层次、定量地研究了刚性微柱阵列亲液表面的动态润湿过程。发展了同时考虑介观尺度黏性阻力和微观尺度分子摩擦两种耗散机制的移动接触线的新理论模型，发展了新的三维光学形貌测试法。揭示了粗糙表面超润湿行为的规律和物理机制，得到了光滑/粗糙表面润湿的标度关系。研究成果发表在国际流体力学权威刊物《流体力学 (J. Fluid Mech.)》、《流体物理 (Phys. Fluid.)》。国内外学者的高度评价：“从连续到原子层次洞悉了粗糙表面和液膜的固液相互作用”。.2. 从原子层次到连续层次、定量化地研究了柔性微柱阵列亲液表面的动态润湿过程，尤其是三相接触线附近流固耦合的动力学行为，揭示了柔性和刚性微柱阵列表面润湿的不同模式。在本征润湿性、表面拓扑和微柱弹性模量的共同作用下，液体润湿微柱阵列，其流动显示出各向异性。柔性微柱驱动并钉扎液体，液体流动和微柱变形相互耦合，导致了附加的能量耗散。研究成果发表在《自然 (Nature)》旗下刊物《科学报道 (Sci. Rep.)》。英国化学学会会士孙长庆教授在国际化学权威刊物《Coordin. Chem. Rev.》上发表文章，用四大段、重点引用本工作。.3. 针对电润湿的基本难题：三相接触线处的电荷分布奇异性问题、接触角饱和现象、粗糙表面Cassie态向Wenzel态转变。通过DFT、MD和MKT相结合的方法，从电子层次详细研究了光滑和微柱阵列表面上电润湿的平衡态、动态和电致相变行为，提出了纳米尺度的电润湿数，揭示了光滑和粗糙表面电润湿的静力学和动力学规律，从电子层次分析了电致相变的微观机理。研究成果发表在《纳米尺度 (Nanoscale)》2篇。.发表SCI期刊标注论文6篇，包括J. Fluid Mech.、Sci. Rep.、Nanoscale、Phys. Fluid.等。研究成果一经发表就获得了国内外学者的关注和大量引用，在国际上产生了重要影响。项目执行期间，袁泉子副研究员获得“国家自然科学二等奖”等奖励。