纳米尺度固体材料表面润湿性的数值模拟表征方法及其尺度效应研究

摘要

润湿是自然界中一种常见的物理现象，具有显著亲水、疏水润湿性能的材料在生物、化学以及机械等领域拥有重要的应用价值。一般来说，润湿性能常由接触角来表征，其可通过实验方法进行测量。近年来，石墨烯等微纳米尺度低维材料由于具有优异的光学、力学和电学等性质受到了国内外学者的广泛关注，相关材料的润湿性对于在电池、半导体以及微纳米机电等领域的应用非常重要。然而，针对微纳米尺度材料，由于尺度所限，实验方法常难以获得理想的测量结果，因此基于分子动力学模拟的接触角计算方法成为了相关材料表面润湿性表征的重要方法之一。同时，由于线张力无法忽略，接触角会随着接触半径线性变化，导致微观润湿性与宏观润湿性之间也存在差异。因此，发展高精度的微纳米材料润湿性能表征方法并开展其尺度效应的研究具有重要的科学意义和应用价值。 本文建立了一种基于分子动力学方法依托空间数据实施椭球表面拟合的接触角计算方法，并给出了具体的计算流程。基于分子动力学模拟获得的体态水平衡构型构造了多种已知接触角的球状和椭球状液滴，所提出方法与预设接触角较好地吻合，这验证了本方法的准确性；同时，基于石墨烯的润湿模拟，根据石墨烯表面接触角的计算结果随固-液界面高度的变化趋势，验证了本文接触角计算方法的稳定性。 基于分子动力学模拟，研究了石墨烯润湿性能的尺度效应及初始构型与宏观接触角的关系。在计算石墨烯润湿接触角的过程中，气-液界面密度和固-液界面高度分别由不同尺寸液滴自由凝聚以及水在石墨烯限域内扩散的数值实验进行确定。基于分子动力学方法进行了石墨烯的润湿模拟。计算结果表明：随着接触半径的增加，接触角不断的减少，根据修正Young方程获得了石墨烯的宏观接触角；当改变液滴初始构型时，接触角基本没有变化。 本论文工作提出了一种依托空间数据进行椭球表面拟合的接触角计算方法并研究了石墨烯润湿性能的尺度效应。基于分子动力学模拟结果获得了固-液界面高度和气-液界面密度并确定了该方法的准确性和稳定性；通过本文方法获得了石墨烯润湿的尺度效应以及初始构型与宏观接触角的关系。本文提出的计算方法为微纳米尺度材料表面润湿性能提供了有效可靠的表征方法，从而为基于材料润湿性能的微纳器件设计奠定了基础。

目录

声明

1. 绪论

1.1 引言

1.2 经典表面润湿理论

1.2.1 接触角和Young方程

1.2.2 Wenzel润湿模型

1.2.3 Cassie-Baxter润湿模型

1.3 接触角的测量方法

1.3.1 实验方法

1.3.2 数值方法

1.4 本文的选题背景及研究内容

2. 分子动力学方法简介

2.1 引言

2.2 分子动力学方法基本概念

2.2.1 分子动力学模拟流程

2.2.2 力场与势函数

2.2.3 积分方法与积分步长

2.2.4 边界条件

2.2.5 系综和控温方法

2.3 分子动力学模拟软件

2.4 本章小结

3. 接触角计算方法和水模型修正

3.1 依托空间数据的接触角计算方法

3.1.1 接触角计算步骤

3.1.2 接触角表达式

3.2 润湿模拟和水分子模型修正

3.2.1 水分子模型介绍

3.2.2 润湿模拟：初始TIP4P-EW水模型

3.2.3 润湿模拟：修正TIP4P-EW水分子模型

3.3 接触角计算方法的准确性

3.3.1 分子动力学模拟细节

3.3.2 接触角计算方法验证

3.4 本章小结

4. 石墨烯润湿性能的尺度效应

4.1 关键参数的确定方法

4.1.1 气-液界面密度

4.1.2 固-液界面高度

4.2 接触角计算方法的稳定性

4.2.1 分子动力学模拟细节

4.2.2 接触角计算方法稳定性

4.3 石墨烯润湿性能的尺度效应研究

4.3.1 石墨烯润湿性能的尺度效应

4.3.2 初始构型对接触角的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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