Forskere foreslår teoretisk model til at beskrive kapillær kraftbalance ved kontaktlinjen

For nylig, en gruppe ledet af prof. Wu Heng'an og prof. Wang Fengchao fra University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) i samarbejde med prof. Joel De Coninck fra University of Mons har leveret en teoretisk indsigt i kapillarkræfter ved kontaktlinjen og valideret Youngs ligning baseret på en mekanisk fortolkning. Forskningsresultaterne blev offentliggjort online i Fysisk gennemgangsbreve .

I 1805, den britiske videnskabsmand Thomas Young beskrev det kvantitative forhold mellem grænsefladespænding og kontaktvinkel, når han studerede befugtning og kapillærfænomener. I mere end 200 år har Youngs ligning er blevet en af ​​de mest basale teorier inden for befugtning. Det beskriver balancen mellem tre grænsefladespændinger parallelt med fast-væske-grænsefladen. Imidlertid, forskere har bestridt dens fortolkning som overfladekræfter eller overfladeenergier og har forpligtet sig til at bevise dens gyldighed på nanoskalaen.

På trods af bemærkelsesværdige fremskridt i de seneste år, gåder og udfordringer er stadig tilbage. Først, kapillarkraften er ikke præsenteret i Youngs ligning. Derudover Youngs ligning kan ikke verificeres direkte i forsøg. Sammenlignet med dens termodynamiske afledning, der er flere forhindringer for at fremsætte den mekaniske fortolkning af ligningen.

For at løse problemet, gruppen fra USTC foreslog en teoretisk model til at beskrive kapillarkraften ved kontaktlinjen.

Forskerne undersøgte kapillærkraftsbalancen på et flydende hjørne på atomskalaen og overvejede dette problem med en væske i sameksistens med dens dampfase. Analysen var baseret på nedbrydningen af ​​fast-flydende og fast-damp-grænsefladespændinger i tre termer, som begge har en klar fysisk betydning. Den foreslåede model verificeres ved molekylære dynamiske simuleringer over et bredt kontaktvinkelområde. Forskelle i kapillarkræfter observeres i fordampning af dråber på homogene og dekorerede overflader.

Efter samme tilgang, de verificerede også Youngs ligning på nanoskalaen fra mekanisk fortolkning. Mikroskopiske detaljer vedrørende mekanismen for befugtning og kapillaritet. Disse resultater giver ny fysisk indsigt i kapillærstyrkebalancen ved kontaktlinjen.

Denne undersøgelse giver ikke kun ny indsigt i den dybtgående forståelse af mange fænomener grænsefladebefugtning, men har også vigtig videnskabelig betydning inden for anvendelsesområderne for mikro-nanofluidisk chipdesign og forbedring af genvinding af lavpermeabilitet.