非均匀气液成核及纳米颗粒在气液界面稳定性的密度泛函理论研究

摘要

作为一种普遍的物理现象，气液相变广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，并且发挥着重要的作用。气液相变通常是一阶相变，它的发生是通过成核-生长这一过程来实现的，因此研究气液成核过程对于我们理解气液相变具有重要的意义。而研究临界核的形态或结构，计算成核过程中的成核能垒以及成核速率，讨论成核发生的各种机理，则是成核研究中的重要内容。另一方面，处在气液界面上的纳米颗粒在诸如矿物浮选、自组装过程、稳定乳液等多个方面也有着许多重要的应用，因此吸附在气液界面的纳米颗粒已经成为胶体科学研究中的一个中心课题。
　　本文采用基于晶格模型的密度泛函理论，对以下两个方面的内容进行了研究:一个是非均匀气液成核;另一个是纳米颗粒在气液界面的稳定性。具体而言，主要工作包括:
　　(1)研究了多个纳米颗粒在气液成核中的协同效应。通过计算由邻近的两个纳米颗粒所诱导的气液成核，考察其成核能垒以及临界核形态的变化。计算表明，当气液相变的临界核尺寸与纳米颗粒之间的距离（或者是固体表面活化点之间的间距）可比较时，在成核过程中存在着协同效应，即相互邻近的纳米颗粒将以更低的成核能垒以及不同的临界核形态共同促进气液相变的发生。而且，本文还研究了协同效应如何受纳米颗粒之间的距离、流体-固体作用强度以及颗粒大小的影响，并讨论了成核机理的变化情况。当颗粒的间距大于某个临界距离之后，协同效应消失。而在协同效应发生作用的范围，形成的临界核包括对称或非对称两种结构，其形态是连接两个颗粒的水桥或者是包裹或依附在两个颗粒上的液滴。另外，为了考察颗粒距离和流体-固体作用强度对成核机理的影响，本文构造了成核机理的相图，得到了5种不同的成核机理。这一相图为我们全面理解成核路径以及协同效应提供了方便。
　　(2)本文还研究了柱状疏水表面上液滴的冷凝过程，包括液滴的成核及生长。类似于在这一疏水表面上的宏观液滴，液滴的临界核也呈现两种不同的润湿状态:Cassie态或者Wenzel态。临界核的润湿状态取决于柱子的高度与间距。对于液滴的成核，计算了其成核能垒以及临界核的润湿状态如何随着柱子的高度和间距进行变化。计算表明存在一个临界距离，当柱子之间的间距大于该临界值时，不论柱子高度如何变化，临界核总是处于Wenzel态并且相比于光滑表面，柱状表面总是促进成核的。而当柱子之间的间距小于该临界值时，该表面是抑制成核的，并且临界核的润湿状态与柱子的高度有关。而且，临界核的润湿状态不一定就是所形成的微观液滴的润湿状态。在液滴的生长过程中，当柱子高度大于某个临界高度时，由Wenzel态的临界核生成的液滴会自发地变成Cassie态。这一发现对于理解液滴冷凝对表面超疏水性的影响具有重要的意义。
　　(3)本文还研究了纳米颗粒在气液界面的稳定性。通过计算使颗粒从界面完全离开所需要的活化能，比较了不同颗粒在界面的稳定程度，并且研究了纳米颗粒的性质对其稳定性的影响，包括流体-固体作用强度、纳米颗粒的大小以及颗粒的形状。计算表明，当εsf=0.5时，颗粒在界面上最稳定，而随着εsf的增大或减小，颗粒在界面的稳定性下降。而颗粒的半径越大，其在界面也越稳定。为了研究颗粒形状的影响，本文考虑了体积相同而具有不同高宽比α的旋转椭球体。在各种不同的形状中，球形颗粒的稳定性最低。在α＞1时，随着α的增大颗粒在界面的稳定性增强;而在α＜1时，颗粒的稳定性则是随着α的减小而增强。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 相变与成核

1．2 成核理论

1．2．1 经典成核理论

1．2．2 密度泛函理论

1．3 非均匀成核研究概述

1．3．1 光滑表面上的非均匀成核

1．3．2 楔子内的非均匀成核

1．3．3 孔中的非均匀成核

1．3．4 纳米颗粒上的非均匀成棱

1．4 纳米颗粒在界面的稳定性

1．4．1 界面处的纳米颗粒

1．4．2 球形颗粒的稳定性

1．4．3 非球形颗粒的稳定性

1．5 分子模拟方法

1．5．1 蒙特卡洛模拟

1．5．2 分子动力学模拟

1．6 本文的研究内容与意义

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究意义

参考文献

第二章 模型与方法

2．1 晶格气体模型

2．2 平均场密度泛函理论

2．3 带有约束的晶格密度泛函理论

2．3．1 体积约束

2．3．2 表面积约束

2．4 对比单位

参考文献

第三章 成核中的协同效应：多个纳米颗粒共同促进气液相变

3．1 引言

3．2 模型和模拟细节

3．3 模拟结果

3．3．1 协同效应

3．3．2 纳米颗粒之间的距离、流体-固体作用强度以及颗粒的大小对协同作用的影响

3．3．3 成核机理相图

3．4 小结

3．5 进一步讨论

参考文献

第四章 柱状疏水表面上液滴的冷凝

4．1 引言

4．2 模型与模拟细节

4．3 结果与讨论

4．3．1 临界核的两种润湿状态

4．3．2 柱子高度和间距对成棱的影响

4．3．3 液滴的生长

4．3．4 润湿状态相图

4．4 小结

参考文献

第五章 纳米颗粒在气液界面的稳定性

5．1 引言

5．2 模型与模拟细节

5．3 结果与讨论

5．3．1 流体-固体作用强度的影响

5．3．2 颗粒大小的影响

5．3．3 颗粒形状的影响

5．4 小结

参考文献

第六章 结论

附录一 中英文对照表

附录二 英文名词缩写表

致谢

研究成果及发表的学术论文

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