固液界面納米氣泡及其對流體邊界滑移影響的研究.pdf

1、當(dāng)粗糙的疏水表面浸入在水中時，固-液界面上通常會自發(fā)的生成納米氣泡。研究表明，固-液界面上的氣體有助于增大邊界滑移長度，減小流體在界面上的流動阻力。隨著微/納機(jī)電系統(tǒng)和微流體系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用，如何降低流體在微管道內(nèi)流動的摩擦阻力成為研究的熱點問題，納米氣泡作為固-液界面上氣體的主要表現(xiàn)形式，對流體邊界滑移的影響也因此受到廣泛的關(guān)注。本文利用原子力顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）研究了聚苯乙烯（Polys

2、tyrene, PS）表面上納米氣泡的形貌，探索了固-液界面納米氣泡穩(wěn)定性的機(jī)理，通過控制聚苯乙烯-水界面上的納米氣泡的尺寸及分布，應(yīng)用接觸模式膠體探針 AFM法在不同氣泡覆蓋率的聚苯乙烯表面上測量流體的邊界滑移長度，建立了較完善的納米氣泡與滑移長度關(guān)系模型。
　　研究了PS基底的表面粗糙度對納米氣泡尺寸及分布的影響，在粗糙的PS表面上實現(xiàn)了對較大的微米級氣泡成像；基于裂隙理論，分析了大氣泡成核的原因。在較大的尺度范圍內(nèi)（100n

3、m~13μm）研究了納米氣泡接觸角的尺寸效應(yīng)，為進(jìn)一步研究納米氣泡的形貌與邊界滑移的關(guān)系提供了實驗依據(jù)。
　　從界面氣體富集（Interface gas enrichment, IGE）、線張力及雜質(zhì)的影響三個方面分析并揭示納米氣泡的接觸角小于其楊氏接觸角的原因。通過分析醇-水替換前后在高旭熱解石墨表面上測量得到的力-距離曲線，證實了IGE與納米氣泡共存的現(xiàn)象；結(jié)合 Das提出的雜質(zhì)與接觸角的關(guān)系模型，探討了雜質(zhì)對納米氣泡接觸角的

4、影響；計算了100nm~13μm范圍內(nèi)的納米氣泡的線張力值；根據(jù)改進(jìn)的Young方程分析并揭示了線張力降低納米氣泡接觸角的機(jī)理。
　　實驗研究了不同尺寸的納米氣泡的合并現(xiàn)象，提出了“接觸線相對影響”的概念，從基底的表面性質(zhì)及氣泡的三相接觸線對氣泡合并的影響進(jìn)行分析，揭示了納米氣泡發(fā)生移動與合并的非確定性。以具體的納米氣泡合并過程成像為基礎(chǔ)，計算并分析了氣泡內(nèi)的氣體量在合并前后的變化，從靜電力的影響、雜質(zhì)的影響、探針-氣泡相互作用及

5、線張力的影響等方面分析和討論了導(dǎo)致納米氣泡合并后氣體量變化原因，得出 IGE是導(dǎo)致納米氣泡合并后氣體量增加的主要原因。
　　實驗驗證了掃描載荷對不同尺寸納米氣泡形貌的影響，證實了大氣泡比小氣泡在承受相同法向力的情況下變形更大的結(jié)論。通過時間演化實驗，驗證了Weijs在接觸線錨固理論中納米氣泡的三相接觸線錨固不變假設(shè)；通過對比氣泡在時間演化實驗中的壽命及理論壽命，驗證并討論了接觸線錨固理論的正確性。以探針-氣泡相互作用模型為基礎(chǔ)，分

6、析了較大的微米級氣泡在時間演化實驗中具有較快的氣體擴(kuò)散速度并率先消失的原因。結(jié)合動態(tài)平衡理論、雜質(zhì)理論和接觸線錨固理論，同時考慮 IGE與納米氣泡共存、線張力及靜電力的影響，建立了納米氣泡穩(wěn)定性模型。
　　探討了固-液界面上存在納米氣泡的情況下接觸模式及動態(tài)模式膠體探針AFM法測量滑移長度的有效性，建立了考慮氣泡形貌及分布的納米氣泡與滑移長度關(guān)系的模型。通過改變 PS基底的表面粗糙度和水中的氣體含量，控制PS-水界面上生成納米氣泡