固液界面表面电荷对微纳米尺度流体阻力影响的研究

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近年来,微纳米流体系统在机械、物理、化学以及生物医学等众多领域取得了广泛的应用。但是由于微纳米流体系统越来越小的尺寸以及越来越大的表面积-体积比使得微纳米流体系统的固液界面上存在着较大的流体阻力,因此如何减小微纳米流体系统的流体阻力已经成为目前学者们研究的热点问题之一。虽然大量的理论和实验研究结果表明固液界面表面电荷和边界滑移特性会对微纳米尺度的流体阻力产生影响,但是目前在固液界面表面电荷对边界滑移影响方面的研究并不充分,而且尚不存在表面电荷和边界滑移之间的耦合效应对固液界面流体阻力影响的研究。本文应用原子力显微镜(AFM)实现了固液界面表面电荷密度和边界滑移条件的测量和研究,实验研究了固液界面表面电荷对边界滑移条件的影响,进而综合考虑表面电荷对边界滑移的影响,理论研究了微纳米尺度下固液界面表面电荷对流体阻力的影响,并提出了减小表面电荷对流体阻力影响的理论模型。本文提出了一种基于AFM接触模式的固液界面表面电荷密度测量方法。首先建立了液体环境下AFM实验系统所用胶体探针和样本的表面电荷密度与AFM胶体探针所受静电力之间的理论模型;利用理论模型分析AFM实验测得的静电力数据以实现固液界面表面电荷密度的测量。基于这种方法测量了浸于去离子水和Na Cl溶液中的高硼硅玻璃以及二氧化硅样本的表面电荷密度并分析了这些固液界面表面电荷产生的机理,同时还研究了溶液p H值和离子浓度对固液界面表面电荷密度的影响。随后采用纳米粒子-粘合剂系统通过改变表面粗糙度的方法制备了多种具有不同润湿性的样本,研究了去离子水,十六烷和乙二醇液滴在这些样本表面的润湿性,并分析不同固液界面所具有的不同表面润湿性的原因。同时利用AFM接触模式测量了具有不同表面润湿性的样本在去离子水,十六烷和乙二醇中的边界滑移长度,研究了不同固液界面的边界滑移特性及其固液界面边界滑移特性的影响因素和变化机理。在利用AFM接触模式实现了固液界面表面电荷密度和边界滑移的测量之后,通过改变溶液p H值以及施加外加电场的方法,以浸在去离子水和Na Cl溶液中的十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装单分子膜作为实验环境研究了溶液p H值和外加电场对固液界面表面电荷密度和边界滑移的影响,并以此研究了微纳米尺度下固液界面表面电荷对边界滑移的影响。实验结果发现固液界面表面电荷密度绝对值越大边界滑移长度越小。固液界面表面电荷对边界滑移影响的研究为精确分析固液界面表面电荷密度对流体阻力的影响提供了可能。最后,以一维双平板微管内的压力驱动流为例,综合考虑表面电荷对边界滑移的影响,建立了固液界面表面电荷引起的双电层对微米尺度压力驱动流流体阻力影响的理论模型,分析了固液界面表面电荷对微纳米流体系统流体阻力的影响以及这种影响的尺度依赖性。研究发现固液界面表面电荷会增加流体阻力,同时边界滑移的存在会进一步增加表面电荷对流体阻力的影响。在该理论模型的基础上通过改变一维微通道模型上下壁面之间表面电荷密度的比值,提出了一种减小固液界面表面电荷对微通道流体阻力影响的理论模型,理论研究发现当一维微通道模型上下壁面具有大小相同符号相反的表面电荷密度时,固液界面表面电荷对流体阻力的影响最小。综上所述,本文利用AFM实现了固液界面表面电荷密度和边界滑移的测量,并以此研究了固液界面表面电荷对边界滑移的影响;然后考虑表面电荷对边界滑移的影响研究了固液界面表面电荷对微纳米尺度流体阻力的影响;最后提出了一种通过改变一维双平板微通道上下表面的表面电荷密度比值来减小固液界面表面电荷对流体阻力影响的理论模型。
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