溶解润湿动力学的微观机理研究

Dissolutive wetting means fluid spreads on dissolvable solid. The coupling of solid dissolving and moving contact line (MCL) introduces new time/space length scales and new singularity to the wetting system, which is a typical mechano-chemical coupling, fluid-solid coupling and multiscale interface dynamic problem. Dissolutive wetting is not only a breakpoint to solve the bottleneck problems in the application fields such as energy, life sciences, military, and etc., but also the frontier of the international academic problems in micro-/nano-mechanics, interface mechanics, chemistry, material science, and etc. In this project, microscale mechanisms of dissolutive wetting dynamics will be systematically and intensively studied using a combined method of multiscale experiments, numerical simulations and theoretical modelling. In the “mechano-thermal-chemical” multifield coupled environment, the influences of the coupling effect of the MCL and solid dissolving, moving solid boundary, evolving solid-liquid interface properties, coupling transport of mass and moment and etc. will be quantitatively explored. Focus will be placed on the understanding and expanding the knowledge about the dynamic rules and mechanisms of the mechano-chemical coupling advancing of MCL in dissolutive wetting, exploring and discovering new wetting phenomena, predicting, controlling and optimizing the dissolutive wetting processes, subsequently providing theoretic support and design guidance to develop new technology in the application fields.

液体在可溶解的固体表面发生溶解润湿的现象。固体溶解和接触线移动的相互耦合给系统引入了新的时空尺度和新的奇异性，是一个典型的力化耦合、流固耦合、跨尺度的界面动力学问题。不仅是能源、生命、军事等关键应用领域中解决瓶颈问题的突破口，而且是微纳米力学、界面力学、化学、材料等学科的国际学术前沿问题。本课题拟通过跨尺度的实验研究、数值模拟和理论建模相互结合、相互补充的方法，对溶解润湿动力学的微观机理展开系统、深入的研究：在“力-热-化”等多场耦合环境中，定量地研究移动接触线和固体溶解耦合作用、移动固体边界、演化的固液界面性质、质量和动量耦合输运等对于溶解润湿过程的影响。期望通过本项目的开展，有助于进一步认识和理解溶解润湿中力化耦合的接触线扩展的规律和机理，探索和发现新的润湿现象和应用，预测、控制和优化溶解润湿现象，为应用领域发展新的技术提供理论依据和设计指导。

在可溶解固体表面上液体的铺展和流动，是多学科交叉的前沿热点，具有重要的学术研究意义，也是能源、生命、军事等应用领域控制溶解润湿过程的关键问题。本项目发展了跨尺度实验、模拟和理论相结合的方法，开展了系统、深入、定量化的研究，揭示了溶解润湿动力学的微观机理，实现了对于溶解润湿动态过程的预测、控制和优化。取得了如下的研究成果：.1、针对可溶解固体表面液滴铺展和界面演化开展研究。从微观尺度探索了三相接触线附近的溶剂化效应，发展了分子动理论，阐明了溶解润湿导致的系统物化参数的演化，并传递到介观/宏观模型中。考虑系统的驱动能和能量耗散，发展了Onsager变分原理，建立了跨尺度模型，重现了实验观测的溶解润湿过程，揭示了在力化耦合作用下界面张力和化学势梯度竞争导致液体铺展和界面演化的机制。.2、针对溶解润湿中动量和质量耦合输运问题，首次发现了新的溶解润湿类型。本项目发展了新的实验方法，解决了实验中难以对流场和浓度场同步观测的问题，建立了理论模型重现了实验中流场和浓度场演化。阐明了不同溶解润湿类型在无量纲数空间中的分布，揭示了流固耦合作用下Marangoni对流、自然对流和扩散之间的竞争对溶解润湿模式的影响。.3、针对可溶解固体表面上液体的流动问题，发展了“DFT-MD-相场”跨尺度模拟方法，建立了通道内溶解流动以及固体结构演化模型。探索了通道内流动模式以及液体物化性质的演化，阐明了溶解速度、对流速度以及扩散系数之间的标度关系，揭示了通道内溶解流动和固体结构演化的规律，实现了对于流动模式的控制与固体结构的优化，对于页岩油气开采提供理论指导。.在项目执行期间，已发表期刊标注论文9篇，包括国际权威SCI期刊《Sci. China-Phys. Mech. Astron.》、《Int. J. Heat Mass Transf.》、《Phys. Rev. Fluids》、《Phys. Fluids》、《Microfluid. Nanofluid.》、《Langmuir》、《Soft Matter》等，另有2篇文章正在投稿中。项目负责人袁泉子获得了“国家优秀青年基金”的支持，入选“中科院青促会优秀会员”。