液晶液滴铺展和浸润的微观建模与数值模拟

复杂流体在微纳米尺寸表面上的现象成为近年来的研究热点之一。本项目研究液晶分子组成的液滴在固体表面上的铺展和浸润行为，运用分子动力学微观模拟方法，研究固体表面附近的分子取向序结构、从部分浸润到完全浸润的浸润相变以及完全浸润相中液滴前驱膜生长速度的幂律，通过这三方面的研究，旨在从微观层面上揭示分子取向这一自由度对铺展和浸润宏观行为影响的一般性规律。与前人模拟研究的目的有所不同，本项目的模拟结果不仅要与实验和理论定性地比较，而且本项目根据宏观理论分析系统中重要参数的函数关系，预先定量地给出使用什么样的参数值会出现什么样的结果，然后进行一系列分子动力学模拟验证理论值。分子动力学模拟所使用的微观模型是基于相关宏观模型所描述的物理体系而设计的。本项目研究将为液晶微纳米流体系的多尺度数学建模提供可参考依据，并为在微纳米尺度上研制开发液晶显示器件、聚合物纳米复合材料提供启发和参考。

本项目研究复杂流体在微纳米尺寸表面上的动力学行为。对于这类涉及分子尺度的问题，宏观的平均场模型由于难以描述分子结构和热力学涨落等因素的影响而缺乏准确性，分子动力学模拟是研究这类问题的强有力工具之一。本项目中，我们运用分子动力学模拟方法，结合宏观流体动力学模型的数值计算，研究了液滴在具有温度梯度的固体表面上的自发运动的现象。我们的研究结果解释了液滴在温度梯度下自发运动的物理机制，即液滴在固液气三相交界处的挥发和凝聚导致了自发运动，理论分析进一步表明，这种机制本质上和流体由于浸润梯度产生自发运动的机制是类似的，这或许可为材料开发和能源有效利用提供一些参考。本项目利用显卡处理器（GPU）提高分子动力学模拟的计算速度，前期成果中的模型和方法易于进一步研究相关的固液界面问题。