碳纳米材料表面液滴的润湿性

摘要

润湿是自然界中常见的现象之一。材料表面的润湿性早已引起人们广泛关注，特别是上世纪90年代德国波恩大学Barthlott和Neinhuis揭示“荷叶效应”机理后，在世界范围内掀起了一股关于润湿性研究的热潮。2005年，德国康斯坦茨大学的Habenicht在《自然》报道薄金片经激光加热后在石墨表面会收缩形成液滴并最终脱离石墨表面，此现象也被称为金属液滴的反润湿现象。激光诱发的反润湿现象有望被用在定向纳米技术和自组装技术上，例如，医学上可以用激光诱发药物颗粒打向癌症细胞。此外，液体与材料表面相互作用时会出现断裂或融合。断裂和融合是多个领域中的两个重要过程，例如自然界中云朵的聚散、降雨，工业上牛奶的加工、材料的成型及医学上血液的输运。材料表面液滴的形态演变、润湿性及反润湿行为取决于液滴的温度以及衬底表面微结构和受限空间的尺寸，研究这些因素对润湿性和液滴形态演变行为的影响，对于完善润湿理论、改进界面材料加工工艺和开发先进的材料制备技术都具有非常重要的科学意义。
　　本文利用分子动力学方法深入研究了铜液滴和水在碳纳米管和石墨烯表面的润湿和形态演变行为，揭示纳米尺度下液滴的润湿与反润湿机理以及金属液滴的形态演变规律，提出利用受限空间实现液滴自发融合的新方法。主要内容如下:
　　(1)纳米尺度下控制液滴的润湿性和运动是纳米技术的一个重大目标。通过研究经纳米微结构修饰的石墨烯表面铜液滴的润湿行为，探讨微结构尺寸、温度和铜液膜初始形状和尺寸对润湿行为的影响。结果表明在修饰的石墨烯表面，超薄铜液膜在表面张力作用下迅速收缩形成液滴，该液滴在惯性力作用下脱离石墨烯。液滴的整个脱离过程仅需几纳秒。通过调整液膜或石墨烯表面微结构的几何参数，可以有效控制液膜的收缩及脱离的时间和速度。此外，提高温度有助于金属液膜的收缩和液滴的脱离。此研究结果为有效利用和控制金属液滴的反润湿性提供理论依据。
　　(2)在多数情况下，相互接触的两个液滴有直接融合形成一个大液滴的趋势，以降低表面能。通过研究铜液膜在石墨烯和碳纳米管表面的形态演变行为，发现两个刚好接触的圆形铜液膜并未直接融合形成一个液滴，而是需要经历两个阶段:(Ⅰ)液膜的收缩和断裂阶段，(Ⅱ)液滴的融合阶段。两个液膜在接触区形成一个小液桥，液桥在液膜收缩过程中逐渐变小，然后断裂，两个液膜也断裂形成两个独立的液滴。两个分离的液滴在惯性力作用下脱离衬底表面，同时逐渐彼此靠近，直到两个液滴再次接触。断裂阶段中液桥的存在使两个液滴拥有相向的分速度，从而使两个分开的液滴相互靠近。在融合阶段，接触后的两个液滴在毛细管力的作用下逐渐融合形成一个大液滴。此外，通过分析铜液滴的均方位移、速度场和密度分布图，讨论了碳纳米材料表面微结构尤其是碳纳米管表面对液滴形态演变行为的影响。
　　(3)研究二维受限空间中铜液滴的润湿行为和自发融合过程。此二维空间由两面平行的纳米墙构成，每面纳米墙由双层石墨烯、水平放置的碳纳米管或垂直放置的碳纳米管构成。首先考虑一个液滴的反润湿行为，结果显示铜液滴在二维受限空间中最终呈现三种状态:未脱离状态、半脱离状态和全脱离状态，这取决于受限空间的高度。未脱离状态下，铜液滴的接触角在125°～177°之间，固液接触面的半径在12～80(A)之间。全脱离状态下，脱离液滴的运动时间与受限空间的高度成正比。在研究两个液滴的反润湿行为时，发现两个静态液滴在受限空间中可以自发的融合形成一个液滴，而且融合时间、融合速度以及融合液滴的最终位置皆可通过调节纳米墙的类型、受限空间的高度以及液膜的初始尺寸来控制。揭示了受限空间中液滴的润湿模型。提出了利用受限空间实现液滴自发融合的新方法。
　　(4)研究了水与缺陷石墨烯的相互作用，探索Stone-Wales(SW)、单点(SV)和多点(DV)缺陷对石墨烯润湿性及界面性质的影响。结果发现水滴在石墨烯表面的润湿角对SW和SV缺陷很敏感。随着温度的升高，润湿角减小，且对缺陷的敏感度降低。密度分布曲线表明石墨烯可以引起界面处的水由无序结构向有序多层结构的转变，这些有序结构的产生严重阻碍水分子的扩散。表面张力沿垂直于衬底表面方向的分布曲线显示，固液表面张力在有SW缺陷的石墨烯表面远大于在其它缺陷表面，这正是水滴接触角对SW缺陷特别敏感的原因。此结果有助于石墨烯润湿性的控制以及石墨烯纳米电子器件的开发与应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 无线传感器网络概述

1．3 无线传感器网络路由协议概述

1．3．1 无线传感器网络路由协议的特点

1．3．2 无线传感器网络路由协议的分类

1．4 基于虚拟坐标的无线传感器网络路由协议的研究现状

1．4．1 基于地理位置信息的虚拟坐标路由协议

1．4．2 基于参考节点的虚拟坐标路由协议

1．5 本文结构安排

第2章 基于位置信息的无线传感器网络路由协议概述

2．1 基于位置信息的路由协议的优势

2．2 地理位置路由的空洞问题

2．3 解决路由空洞问题的基本方法

第3章 路由空洞的基本问题研究

3．1 路由空洞的形成分析

3．1．1 路由空洞与网络规模

3．1．2 路由空洞与边缘节点规模

3．2 无路由空洞的网络边缘结构特征

3．3 本章小结

第4章 基于虚拟坐标解决地理位置路由中的路由空洞问题研究

4．1 基于虚拟坐标旁路路由空洞的路由协议设计

4．1．1 空洞探测方法

4．1．2 虚拟坐标映射算法

4．1．3 空洞区域划分方法

4．1．4 基于虚拟坐标旁路路由空洞的路由设计方案

4．2 基于虚拟坐标旁路路由空洞的路由协议分析

4．2．1 虚拟坐标与实际坐标的衔接处理

4．2．2 路径分析

4．2．3 控制开销分析

4．3 仿真

4．3．1 路由空洞大小对路由协议的影响

4．3．2 多重空洞对路由协议的影响

4．3．3 随机分布网络中路由协议的性能

4．4 区域划分和映射算法对路由性能的影响

4．4．1 BVR-VRC路由协议

4．4．2 R-GVI路由协议

4．4．3 仿真

4．5 本章小结

第5章 基于多级虚拟坐标的地理位置路由中的路由空洞问题研究

5．1 基于多级虚拟坐标旁路路由空洞的路由协议设计

5．1．1 路径优先的路由协议

5．1．2 能量均衡优先的路由协议

5．2 仿真

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 下一步研究计划

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的成果目录