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我學者首次解釋了托馬斯·楊方程
2020-04-08 10:39:56 來源: 科技日報
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        記者從中國科學技術大學獲悉,該校工程科學學院、中科院材料力學行為和設計重點實驗室團隊,研究了固液界面毛細力的微觀起源,揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機理,並從力學角度給出了楊氏方程的合理解釋。該研究成果日前發表在《物理評論快報》上。

       1805年,英國科學家托馬斯·楊在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關係。兩百多年來,楊氏方程已成為潤濕領域最基本的理論之一。雖然基于熱力學能量最小化方法可推導得到該方程,但是研究者一直致力于從力學角度解釋楊氏方程,並驗證其在納米尺度的有效性。該領域仍存在許多關鍵科學問題亟待解決:一方面,作為控制液滴動力學的關鍵因素,作用在固液氣三相接觸線處的毛細力並沒有在楊氏方程中明確體現,且易于與界面張力的概念混淆。另一方面,由于固液、固氣界面張力難以在實驗中準確測量,楊氏方程的驗證一直存在著爭議。

       針對以上挑戰,研究人員從微觀上深入剖析了界面張力的物理意義並對其進行分解,找到了一種新的方法來定量描述固液氣三相接觸線處的毛細力,進一步明確了該毛細力與界面張力之間的區別和聯係。在此基礎上,研究者建立了描述液滴接觸線處毛細力平衡的理論模型,並給出了楊氏方程的力學解釋。該理論得到了分子動力學模擬結果的驗證。研究結果還表明:在小接觸角的情況下,固液和液氣界面在接觸線處存在重疊,固體表面的液體有序層狀結構對毛細力具有重要影響。

       該研究不僅為深刻理解界面潤濕的諸多現象提供了新的認知,而且在微納流控芯片設計、提高低滲透油藏採收率等應用領域也具有重要的科學意義。

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【糾錯】 責任編輯: 魏承瑤
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