进入21世纪,随着介观层次上的表面和界面科学的发展,以及纳米科技、生物技术与信息科学等新兴科学的融合,由控制材料表面的微观结构所产生的表面和界面的奇异功能特性来创造新型的材料和器件,已成为材料科学领域的一个重要指导思想。固体材料的宏观性能主要由其化学组成及结构共同决定。对于一种材料来说,由于其化学组成一定,因此研究材料的微观结构对材料的宏观特异性能的影响机制就变得更有意义了。目前,表面具有超疏水性能的材料在工农业生产、人们的日常生活以及生物医用领域都有着极其广阔的应用前景。例如,它可以用于天线的防雪、建筑物和交通指示灯的自清洁、船体表面减小摩擦、纺织品防污、医疗器械的防污以及微流体器件的降摩减阻等多个方面。科学研究发现,荷叶能够“出淤泥而不染”、蝴蝶可以在雨中自由飞行以及水黾可以在水面滑行而不至于沉没这些自然界生物体表面所具有的超疏水性能都与其表面特殊的微米和纳米结构相关。本课题受生物体具有的特殊表面性能启发,从数值上模拟材料表面的微观结构对材料表面疏水性能的影响。通过改变微结构的形态来探讨使生物体具有这些特异性能的根本原因,揭示其微观结构与宏观疏水性能之间的必然联系,进而为研制新型的具有更好疏水性能的界面材料提供一定的理论基础。　　自1990年基于单弛豫时间近似的晶格玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,简写为 LBM)被提出以来,对 LBM及其应用的研究就越来越引起了人们的兴趣。作为一种新的探索复杂系统的数值计算方法和模拟方法,其高效、精确、并行和鲁棒性(robustness)以及边界条件易于施加等特性已得到广泛地证实。目前该模型已被广泛应用于研究渗流、湍流、两相流、血液流、反应扩散系统、颗粒流和悬浮体、磁流体和热流体等物理与化学系统,并取得了令人信服的结果。现在,也有用分子动力学(MD:molecular dynamics)来研究固液界面的相互作用及固液接触角,但 MD受制于时空尺度,不能进行大尺度长时间的模拟,比如几百个纳米,几百纳秒级别的研究。晶格玻尔兹曼模型是一个分立统计模型,具有计算速度快、所需内存小、可用于模拟较大的体系,并且算法本身还易于并行化的优点。本文中我们将用晶格玻尔兹曼方法,通过编写程序模拟材料表面微结构上的液滴,探讨微结构对表面疏水性能的影响,为仿生超疏水表面的制备提供思路。　　我们的工作主要包括以下几个方面:　　1.建立二维的晶格玻尔兹曼模型,通过对 Poiseuille流以及正弦式中医滚法推拿的模拟,检验程序的可靠性与稳定性,为后面的研究奠定基础;　　2.用晶格玻尔兹曼方法模拟液滴在光滑固体表面和具有周期性矩形微结构的毛糙固体表面上的稳定状态。通过比较液滴在两类固体表面稳定时接触角的大小得出,与人们的日常思维不同,实际完全光滑的固体表面并不具有超疏水性,相反表面微结构的存在可以增强固体表面的疏水性能;　　3.从两方面来研究了微结构表面的疏水性能。(a)构建了具有周期性矩形、等腰三角形和半圆形等微结构的固体表面。改变微结构的形状和尺寸,通过模拟求得的稳定状态下液滴在各毛糙面接触角余弦值,比较它们的疏水性以研究微结构对固体表面疏水性能的影响;(b)建立具有上述矩形、等腰三角形和半圆形微结构的纳米毛糙管,用晶格玻尔兹曼方法研究微结构形状和尺寸的改变对毛糙管中流体流速的影响。研究发现,相同尺度下,具有等腰三角形图样的微通道内流体的速度滑移最大,即等腰三角形状的毛糙面较疏水。因此,制备具有超疏水性能的固体材料表面最好是具有纳米级的三角形图样;　　4.把粒子看为不可变形的刚性小球,建立二维晶格玻尔兹曼模型模拟了粒子在涡流中的运动,涡流由左右边界分别开有进出口的空腔产生,进口位置固定在空腔左边界的顶端,通过改变右边界上出口的位置,主要研究空腔右边出口位置的不同对其运动轨迹以及粒子从涡流中流出的时间的影响;　　5.用晶格玻尔兹曼方法模拟了单个红细胞在毛细血管的脉动流场中的运动,其中红细胞被视为刚性小球,管中血液被视为牛顿流体。研究发现:在雷诺数较小的情况下,红细胞在脉动流场中的平衡位置与其被释放前的初始位置以及脉动流的周期有关。管中血液的回流不仅导致了红细胞会周期性的偏离原平衡位置,还加快了红细胞在脉动流场中的平衡过程。