在粗糙表面上发生的表观接触角的变化称为润湿转变,这种变化可能是自发的,也可能是由外部刺激,如压力或振动引起。了解润湿转变的物理机制对于设计高稳定性的超疏水和多功能疏水材料至关重要。研究影响固液间润湿性和液滴润湿形态演化行为的因素,对于理解和完善润湿理论、拓展材料界面润湿范围和发展先进的纳米制造技术都具有非常重要的科学意义和实际应用价值。随着柔性电子器件的兴起,具备良好性能的低温液态金属和柔性的碳纳米材料逐渐再次成为科学家研究的热点。作为低毒的金属镓及其合金,其具有极高的导热性、导电性。更为重要的是金属镓及其合金液相温域极广,在-19℃-2203℃区间保持稳定的液态,相变期间具有相对恒定的体积,较低的蒸气压(在20℃时基本为零),以及由于较强金属键及共价键造成的高潜热。以石墨烯和碳纳米管为代表的典型碳纳米材料同样具有优异的力、热、电、光、磁等物理性能,令其成为包覆液态金属以构成柔性电子器件的最佳候选材料。近年来,常温液态金属的润湿特性研究已引起物理、化学和材料科学领域的广泛关注,但是如何有效控制液态金属在碳纳米材料表面的润湿性以满足各种器件制备的要求却鲜有研究报道。本文利用分子动力学方法深入研究了液态金属镓在石墨烯及修饰粗糙化石墨烯表面的润湿转变特性,揭示了表面结构与液态金属的润湿模式之间的内在联系,分析了固液界面相互作用机制及其对润湿性的影响规律。主要研究内容如下:(1)利用分子动力学方法,通过平均场理论,研究液态镓与石墨烯的相互作用,探索势函数参数对镓在石墨烯上的润湿性及界面结构的影响。并获得了不同厚度的镓液膜在石墨烯表面的形态演变规律。结果发现镓在石墨烯上的润湿性对Lennard-Jones(简称L-J)势函数很敏感,吸附能变化符合热力学定律。衬底与液膜间相互作用的微小改变都会对最终润湿形态产生极大影响,平衡态的润湿角和液滴脱离衬底速度随着Ga-C间势能的减小而增大,与实验表现一致。从理论和实验上都验证了势函数参数选取合理,为后续研究奠定了理论基础。(2)利用三种尖端形貌不同的碳纳米柱修饰了石墨烯表面,从而改变了石墨烯表面的微观结构和表面粗糙度。通过研究液态镓在18种具有不同形貌特征的石墨烯表面的润湿情况,探讨了纳米柱尖端形貌、表面粗糙度对液态镓润湿行为的影响,发现材料表面的润湿性和界面性质与其表面结构的微观形貌密切相关。研究发现在润湿过程中,镓液膜转变成倒扣的浅碟状,“浅碟”的口径及深度影响了镓液膜最终的润湿状态。但在光滑的石墨烯表面上液态镓没有发生这种奇特的现象。通过改变石墨烯表面上纳米柱的分布和尖端形貌,在修饰的石墨烯表面上镓液滴分别呈现出Cassie-Baxter状态,Wenzel状态,混合润湿状态及反润湿状态。随着衬底粗糙度的变化,在用尖端不同的碳纳米管修饰的衬底上液态镓呈现出三种润湿状态,而在碳纳米锥衬底上仅出现了两种润湿状态。粗糙度相同时,碳纳米锥修饰的石墨烯表面具有最低的吸附能,其次是碳纳米管修饰的表面,而带帽的碳纳米管修饰表面的吸附能最大。研究结果为粗糙表面上金属液滴润湿模型的建立提供了有效的数据支持,也为有效利用和控制金属液滴的润湿性提供了一定的理论依据。(3)研究了镓液膜在不同旋移角碳纳米锥修饰的石墨烯表面润湿性及其形态演变行为。发现纳米锥的旋移角和表面粗糙度都能引起液态镓的润湿转变。通过分析液态镓的演变形态,速度场、密度分布、表面吸附能,探讨了碳纳米锥尖端形貌对液滴形态演变行为的影响。发现润湿过程中液滴底部也出现了内凹现象(“浅碟”),衬底对液滴的吸附性越强,内凹现象消失得越快。当纳米锥锥顶变尖时,随着石墨烯表面粗糙度的减小,镓液滴分别呈现出反润湿态和Wenzel状态,而其余三类情况都处于Wenzel模式之中。当旋移角变大时,衬底对于液膜的各向同性效应逐渐消失,液滴与衬底之间的粘附性变小,这使得液滴在表面容易滚动,从而有利于液滴找到最佳位置以实现能量最低的稳定状态。这些结果为制备超疏水材料、凝水材料提供了理论参考。本文为进一步理解润湿转变机制提供了新的思路和方向,为控制材料表面结构和性质、开发先进的超疏水材料提供了理论依据。