【儀表網 儀表研發】1805年，英國科學家托馬斯·楊(Thomas Young)在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關系。兩百多年來，楊氏方程已成為潤濕領域基本的理論之一。雖然基于熱力學能量小化方法可推導得到該方程，但是研究者一直致力于從力學角度解釋楊氏方程，并驗證其在納米尺度的有效性。
該領域仍存在許多關鍵科學問題亟待解決：一方面，作為控制液滴動力學的關鍵因素，作用在固液氣三相接觸線處的毛細力并沒有在楊氏方程中明確體現，且易于與界面張力的概念混淆。另一方面，由于固液、固氣界面張力難以在實驗中準確測量，楊氏方程的驗證一直存在著爭議。
近日，中國科學技術大學工程科學學院、中科院材料力學行為和設計重點實驗室團隊研究了固液界面毛細力的微觀起源，揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機理，并從力學角度給出了楊氏方程的合理解釋。
楊氏方程是描述固氣、固液、液氣界面張力γsg，γSL，γLg與接觸角θ之間的關系式，亦稱潤濕方程，表達式為：γsg-γSL=γLgCOSθ，適用于均勻表面和固液間無特殊作用的平衡狀態。界面化學的基本方程之一。
針對以上挑戰，中國科大研究人員從微觀上深入剖析了界面張力的物理意義并對其進行分解，找到了一種新的方法來定量描述固液氣三相接觸線處的毛細力，進一步明確了該毛細力與界面張力之間的區別和聯系。在此基礎上，研究者建立了描述液滴接觸線處毛細力平衡的理論模型，并給出了楊氏方程的力學解釋。該理論得到了分子動力學模擬結果的驗證。
分子動力學是一門結合物理，數學和化學的綜合技術。分子動力學是一套分子模擬方法，該方法主要是依靠牛頓力學來模擬分子體系的運動，以在由分子體系的不同狀態構成的系統中抽取樣本，從而計算體系的構型積分，并以構型積分的結果為基礎進一步計算體系的熱力學量和其他宏觀性質。
研究結果還表明：在小接觸角的情況下，固液和液氣界面在接觸線處存在重疊，固體表面的液體有序層狀結構對毛細力具有重要影響。該研究不僅為深刻理解界面潤濕的諸多現象提供了新的認知，而且在微納流控芯片設計、提高低滲透油藏采收率等應用領域也具有重要的科學意義。
資料來源：百科、中國科學技術大學
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