张本熙和王硕林同学在《Langmuir》期刊发表论文

润湿 表面 电场 疏水 能量 CB 势垒 Wenzel Cassie 论文
芯知汇    2022-02-23    18

液滴超疏水表面上存在两种截然不同的润湿状态,Cassie-Baxter态和Wenzel态。近年来,超疏水表面因其独特润湿特性获得广泛应用。然而,不同应用领域对超疏水表面润湿特性的需求不尽相同。例如:在防结冰、自清洁领域,需要表面维持悬浮态,即Cassie-Baxter态。在微流体换热、喷墨打印领域,需要表面维持塌陷态,即Wenzel态。因此,如何实现超疏水表面润湿状态的转变就成为制约其广泛应用的关键因素。受传统电润湿启发,通过施加电场实现微结构表面润湿状态的转变成为研究热点。然而,当前电润湿方式实现的CB-to-W润湿转变主要以实验研究为主,缺乏润湿转变的直接证据。同时,实现润湿转变的物理机理还不明晰。针对上述问题,本文采用分子动力学模拟手段,进行了详尽的研究。

华北电力大学工程热物理研究中心张本熙同学作为第一作者,王硕林同学作为第二作者,王晓东教授作为通讯作者,在物理化学领域国际期刊Langmuir上发表有关电场作用下超疏水表面润湿转变的论文,论文题目为Wetting Transition from the Cassie State to the Wenzel State on Regularly Nanostructured Surfaces Induced by an Electric Field



论文概述

本文采用分子动力学模拟方法,以覆盖液膜的凹槽表面为模拟体系,给出了电场作用下润湿转变的直接证据:气液界面相互替代过程。这打破了传统实验过程中,只能以表观接触角的突然变化,来确定CB-to-W润湿转变发生的限制。

图1.  电场作用下,CB-to-W润湿转变的发生


同时,借助自由能分析,阐释了润湿转变的物理机理:Cassie-Baxter态和Wenzel态均为亚稳态,Wenzel态能量更低,润湿状态转变均需克服能量势垒。一旦液滴跨越了表面能障之后,即使外部电场撤除,CB-to-W润湿转变依然可以自发发生。构建了触发润湿转变临界条件的物理图像即液体需要接触凹槽底表面达到一定面积。

图2.  不同时刻电场撤除后,CB-to-W润湿转变的自发过程


同时,揭示了能量势垒与微结构的依变关系:能量势垒随凹槽高宽比增加而增加;壁面越疏水,能量势垒越大。能量势垒与电场强度无关,较大的电场强度只是加快了润湿转变的完成。上述结果对超疏水表面进一步的设计和应用,提供了参考。

(1)    电场强度

(2) 高宽比

(3) 表面亲疏水性

3.  各因素对润湿转变能障的影响


  该论文得到了国家杰出青年科学基金(51525602)资助。



撰稿人:张本熙




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