水体系结构与动力学性质理论研究

16πT2mν2
γ3
s
0
*
(
ΔGH
5)
omo =
2
2.
3(
ΔHm)(
ΔT)
其中γ0 为熔点时的界面能.然而,以上对 Δμ 的近似
处理仅在 ΔT 较低时成立.ΔT 较高时,所得结果的精
确度无法得到保障.厦门大学软物质团队针对这一问
题,推导并通过计算验证了 Δμ 与温度的依赖关系:
2/
ΔHmΔT -ΔC(
力,
为三相接触线处的摩擦系数
λ
.图1(
a)显示了基于
本模型的 Rb 和θ 的理论时变曲线与实验结果[16]的比
2023年
转变的实验结果[7].
另外,电浸润技术还可用于控制基底表面水滴的
脱离,对于自清洁、新型的光学和数字微流控设备等
潜在的应用具有重大意义 .然而,目前相关研究领域
仍缺乏对这一分离过程的定 量 理 解,以 及 对 弯 曲 表
·164·
厦门大学学报(自然科学版)
厦门大学软物质团队针对电浸润动力学开展了
系统的研究工作,取得了一系列研究进展[11-15].针对
电场驱动的液滴在平面上的铺展现象,研究团队构建
了可以导出 Na
v
i
e
r
S
t
oke
s 方程的系统能量泛函,并
利用 On
s
a
e
r变分原理推导出了在过阻尼和欠阻尼
g
情况下液滴的 铺 展 动 力 学 方 程,并 研 究 了 液 滴 的 大
所得的成核速率的计算误差从e9 左右降低到了e1.2 左
右(约2~3个数量级)[28].
在实际情况下,由于固体界面及液体水中杂质的
存在,异相成核往往具有更低的成核能垒(相较于均
相成核),因此,水结冰的过程往往由异相成核过程所
主导,对水结冰过程中异相成核机制的研究,可以使
人们对水结冰的过程有更深入的理解及更有效的调
z 相变的数学形式,
K 为液晶
的弹性常数,
Δ
ε 为液晶的各向异性介电常数,
L 为液
回缩阶段都相当吻合.此外,为了进一步捕捉电浸润
和回缩过程的动态特征,图1(
b)展示了外加电压U 为
线.结果发现接触线速度绝对值单调地减小到零,这
与实验数据得到的结论又非常一致.由此说明该模型
.此外,研究团
队还提出了一个可用于系统地描述由外部电压触发、
上的弹跳脱离过程更精准.具体地,可以通过增加液
滴体 积 和 表 面 弧 度,降 低 液 体 黏 度、摩 擦 系 数、
Ohn
e
s
o
r
e数和基底的润湿性,来扩大相图中的可分
g
离区.此外,研究团队还发现液晶悬浮颗粒体系的位
较.可以看出,理论预测与实验结果在液滴的扩散和
置类 Fr
é
e
d
e
r
i
c
ks
z相变,液滴发生弹跳的临界条件与
非常完美地解释了相关的实验结果
[
13]
Ec =3 πF -
晶盒子的宽度.这个理论预测的表达式的曲线与本研
究团队计算所得的不同半径和密度条件下临界电场
放置 在 镜 面 层 表 面 或 多 孔 基 质 上 的 液 滴 的 Ca
s
s
i
e
-
强度 Ec 与 K/L 的依赖关系曲线都十分吻合.这也
进一步证实了“临界电场强度不依赖于胶体颗粒的大
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方法的适应性广、功耗低,且可以对润湿状态进行快
系相关领域所取得的研究进展,并对水体系相关领域
速及精确的微调,使得它在过去的十年中成为一种普
尚需深入研究的重要科学问题进行了展望.这些研究
遍采 用 的 技 术[9-10].因 此,了 解 由 外 部 电 场 引 发 的
进展将为微流控系统等与水浸润相关的应用场景、大
第62卷
第 2期
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.62 No
.2
厦门大学学报(自然科学版)
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2023年3月
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0438
0479.
202209019
j.
水体系结构与动力学性质理论研究
张志森,吴建洋,吴晨旭*
收稿日期:
录用日期:
2022
09
09
2023
02
25
*通信作者:
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xwu@xmu.
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引文格式:张志森,吴建洋,吴晨旭.水体系结构与动力学性质理论研究[
J].厦门大学学报(自然科学版),
2023,
62(
2):
163
173.
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[]
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理中,而 Ca
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-Bax
t
e
r状态下的液滴只是悬浮在粗糙
表面的尖端.这两种状态之间的转换可以通过调整外
部控制参数的各种方法来触发,例如利用重力等被动
策略,以及利用表面声波[3]、振动[4]、甚至电场[5-8]的主
动策略.其中,通过外加电场来改变液滴在固体表面
浸润性(也即接触角)的技术,被称为电浸润.电浸润
基底表面的纳米或微观拓扑结构.当液滴停留在具有
础研究学科,在我们对自然科学的理论研究、生命体
运行规律的探索以及现代工业技术的发展等方面起
着至关重要的作用.
在诸多软物质体系中,水体系由于其在基础研究
领域及社会应用领域的重要价值,一直受到物理学界
的密切关注.厦门大学软物质研究团队在水体系方面
开展了一系列的研究工作,取得了一系列重要的研究
人类社会生产活动都有着深刻的影响.对于自然界来
说,冰的形成会极大地影响地球上的气候[16]、海平面
的高度,以及南北极野生动物的生存.对于人类社会
来说,非预期的结冰现象会造成很多经济损失,甚至
人员伤亡.例如,道路的结冰会降低交通工具与地面
的摩擦系数,极大地增加交通事故发生的概率;机翼
表面的结冰会导致机翼发生形变,干扰周围空气的运
最为广泛的、用以描述水结冰成核过程的理论是经典
成核理论[23-24].如图2[27]所示,根据经典成核理论,水
结冰成核速率的影响因素主要包括影响成核能垒的
界面能、界面结构和外场作用等,以及影响指前因子
的纽结动力学和接触面积等.
为简化起见,之前的研究工作都将 Δμ 近似视为与温
度无关的常数[25-27],其理论表达式为[28]:
和理想流体之间的物质,于 1991 年由诺贝尔物理学
奖获得者 d
eGenne
s 提出,随后迅速发展成一个集生
文章编号:
0438
0479(
2023)
02
0163
11
1 液滴电浸润动力学
命科学、化学科学、材料科学与物理科学于一体的、具
作为软物质方向的一个重要分支,液滴在各种固
有高度学科交叉的基础研究领域.由此,
系统的一个重要分支———水体系的相关研究中取得的一系列重要进展,包括液滴的电浸润动力学、水结冰成核动力学
及气体水合物的结构与力学特性的理论研究,为今后的研究提供了重要的数据参考与理论依据.
关键词:软物质物理;电浸润动力学;冰成核;气体水合物;微纳米力学
中图分类号:
O469
文献标志码:
A
软物质,也即软凝聚态物质,是指处于经典固体
(厦门大学物理科学与技术学院,生物仿生及软物质研究院,福建省柔性功能材料重点实验室,福建 厦门 361005)
摘要:软物质物理是一个集生命科学、化学科学、材料科学与物理科学于一体的、具有高度交叉的基础研究学科,对人
类社会的日常生活、工业活动及基础研究方面有着至关重要的影响.本综述主要总结了厦门大学软物质团队在软物质
ΔT)
2,
(
Δμ =νsγK =
6)
Tm
并将修正后的 Δμ 引入成核能垒的计算解析式:
16πT2mν2
γ3
8πT2mν2
Cγ3
s
0
sΔ
0
*
,(
ΔGH
7)
omo =
2(
2- (
3
(
)
)
)
3 ΔHm ΔT
3 ΔHm ΔT
从而使得水结冰成核能垒计算结果的精度大大提高,
尤其是在高过冷度区域,由修正后的成核能垒解析式
降低,如果表面粗糙度固定,小液滴倾向于缓解过渡
的临界电浸润条件.这一理论模型可以用来很好地解
释之前文献中报道的关于 Ca
s
s
i
e
-Bax
t
e
r
-We
n
z
e
l润湿
2 水结冰的成核动力学
在水体系的研究领域,除了液滴的浸润动力学,
[ ]
图1 液滴铺展过程中底部接触半径 Rb 和接触角θ(
a)、接触线速度(
控.本团队选择了两种最具代表性的基底,大气中碳
颗粒 的 代 表 石 墨/石 墨 烯[29-31]和 类 碘 化 银 晶 体[32-33]
[ ]
液晶 Fr
é
e
d
e
r
i
c
k
s
z 相 变 相 似 的 依 赖 公 式 14 如 式 (
2)
所示:
80V,液滴初始半径 R 为0.
1mm,黏度为8.
2mPa·s
·
时,这两个阶段的三相接触线速度 u = Rb 的时变曲
1
K
1
2)
=6π2
- , (
5
ε|L2 5
|Δ
其中,F 为 Fr
é
e
d
e
r
i
c
k
s
面上液滴分离电压阈值的准确预测 .本研究团队 [11]
探索了在外电场的诱导下,曲 面 上 液 滴 发 生 弹 跳 的
物理机制,解析地推导出电润 湿 诱 导 下 疏 水 曲 面 上
液滴弹跳的临界条件,并给出了不同参数与临界条件
之间的二维相图.该临界条件给出了一个一般且定量
的公式预测液滴弹跳发生的条件,让调控液滴在曲面
动,给飞机的安全飞行带来隐患[18-19].因此,准确估算
并进一步控制水结冰的速率非常重要.而想要达到这
一目的,需深入理解水结冰成核动力学的微观机制,
这也是 目 前 水 结 冰 成 核 研 究 领 域 中 的 重 要 热 点 问
题[20-22].水结冰是过冷水中冰结晶形成的物理过程,
由冰的成核动力学所控制.目前,物理学界接受程度
气降水等与水结冰成核相关的应用场景、及新型绿色
能源(天然气)的开发等与气体水合物微纳米力学相
关的应用场景提供重要的数据参考与理论指导.
Ca
s
s
i
e
-Bax
t
e
r状态和 We
n
z
e
l状态之间的液滴润湿状
态转变的关键条件和机制是相当重要的.然而,这种
由外电场所诱导的、液滴在具有微观拓扑结构的基底
表面的润湿转变仍未被完全理解.
(
(
进展,主要包括:
i)水滴的电浸润动力学;
i
i)水结冰
的成核动力学;(
i
i
i)天然气水合物的微纳米力学性
质.本文主要总结了厦门大学软物质研究团队在水体
微观拓扑结构的粗糙表面上时,液滴的经典描述是由
We
n
z
e
l1 和 Ca
s
s
i
e
-Bax
t
e
r2 润 湿 状 态 来 描 述 的.在
We
n
z
e
l状态下,液体会浸润至基底微观拓扑结构的纹
小和半径”这一结论的原因可能是:在目前的理论模
计算结果还表明对于固定的液滴体积,微柱状(多孔)
型中,在做远场近似展开时将胶体颗粒当做了一个偶
极子.
Bax
t
e
r
-We
n
z
e
l润湿转变现象的理论模型 15 .研究发
现,外电场降低了液滴越过并完成润湿过渡的能垒.
[ ]
表面的临界电浸润电压将随着表面粗糙度的减少而
ΔHm ,
(
Δμ =νsγK =
ΔT
4)
Tm
其中,
νs 为结晶相中分子体积,
γ 为结晶相-液相的界
面能,
K 为界面的曲率,
ΔHm 为结晶相的熔化熵,
Tm
为熔化温度,
ΔT 为过冷度,即一定压力下冷凝水的温
度与相 应 压 力 下 饱 和 温 度 的 差 值.将 式 (
4)代 入 式
(
3),可得均相成核能垒的计算式:
a
r
i
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onwi
t
he
xp
e
r
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n
t
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lme
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xmu.
xmu.
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第 2期
·165·
张志森等:水体系结构与动力学性质理论研究
水的固液相变也是一个非常重要的研究方向,其中的
动力学过程对基础研究、大气科学等研究领域,以及
b)随时间的变化,并与实验数据进行对比 13
F
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1 Th
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