水在碳納米材料表面的潤濕性.pdf

1、潤濕性是固體材料表面的重要性能之一，具有不同潤濕性的納米材料在生產生活中有著廣闊的應用前景。一般通過調節(jié)材料表面的微觀結構可有效改變其潤濕性。此外，當外界條件變化時，如施加外部電場，液滴在固體表面的潤濕性會發(fā)生明顯變化。現(xiàn)實生活中，人們經常會遇到液滴融合現(xiàn)象，如自然界中云霧的形成、工程應用中的乳化技術以及3D打印技術等等。固體表面潤濕性以及微觀幾何結構對相接觸液膜的融合機制以及液滴的形態(tài)演變都有明顯影響。因此了解材料表面微觀結構以及電場

2、等外界條件對固體表面潤濕性的影響以及液滴形態(tài)結構演變行為，對獲得有效地調節(jié)固體表面潤濕性的方法及研制特殊反潤濕特性的納米材料具有重要意義。
　　本文中，我們利用經典分子動力學模擬方法研究了水在石墨烯以及碳納米管表面的形態(tài)演變行為以及外加電場對碳納米材料表面潤濕性的影響。揭示了界面性質及各向異性表面結構與水膜融合機制間的內在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)了外加電場可以調節(jié)水滴在石墨烯表面的潤濕性。主要研究結果如下:
　　(1)通過研究兩個等徑水膜

3、在石墨烯(G)、水平排列(HCNTA)以及垂直排列的碳納米管表面(VCNTA)的融合行為，探討了界面性質對水膜融合行為的影響。研究結果表明在碳納米材料表面，相鄰水膜之間的液橋高度隨時間呈線性增長，液橋寬度增長遵循指數(shù)為1/2的冪律法則。垂直于襯底方向，密度分布曲線上呈現(xiàn)兩處明顯的波峰，說明碳材料表面的水分子呈現(xiàn)分層有序結構，這些有序結構阻礙了水分子在此方向上的擴散，進一步影響了液橋高度增長的速度。
　　(2)探討了各向異性表面結構

4、對水膜融合行為的影響。在不同粗糙度的碳納米管陣列表面，水膜間液橋高度增長呈線性增長，潤濕角較大的襯底表面液橋高度增長較快。對于相隔1(A)的兩個等徑水膜而言，在G和HCNTA表面上的水膜不再融合，而是各自收縮形成兩個獨立的半球形水滴。只有在VCNTA表面，兩液膜在毛細管力作用下最終才會融合成一個液滴。然而毛細管力的促進作用是非常有限的，相距2(A)后，VCNTA表面的水膜將不再融合。此結果為通過調節(jié)襯底表面結構來控制液膜的融合行為提供了

5、理論依據(jù)，在冷凝以及噴墨打印設計方面有重要應用。
　　(3)研究了外靜電場下水滴在石墨烯表面的演變行為;探討了垂直電場對質量密度分布、水分子極化、以及平均氫鍵數(shù)分布情況的影響。研究結果表明，隨著電場強度的增加，系統(tǒng)平衡后水滴由半球形向圓錐形轉變，當強度足夠大時則以柱狀形式存在。伴隨著形狀的改變，水分子的偶極取向也發(fā)生明顯變化，水分子結構由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉變。密度分布以及氫鍵分布曲線上存在兩個明顯的波峰，說明界面處水分子呈分層有