Research about Control of Wettability and Spreading Dynamics of Liquid-Liquid Interfaces

1805 年，英国物理学家 Thomas Young 首次提出用接触角 来表征液体在固 体界面的浸润行为，并给出了著名的杨氏方程。至此，铺展和浸润这一表界面力 学领域的重要问题有了明确的理论指导。实际上，浸润和铺展问题并不局限于固 体基底，对于互不相溶的两种液体所组成的气-液-液三相接触线，其浸润和铺展 动力学问题来也引起了广泛的关注。 在过去近百年对于铺展问题的研究中，大量的实验证明了三相接触线的运动具有自相似性，且铺展半径与铺展时间呈标度律幂指数关系即 ~ 。深入的研究发现幂指数 n 能反映浸润过程中铺展的力学作用机制。因此，标度律分析成为研究和描述移动接触线动力学行为的一种有效方法。 本文研究了液-液浸润中光敏活性剂的作用机制，并实现了浸润状态的色毛细效应控制；详细分析了液-液铺展的动力学过程，给出了传统 Langmuir-Blodgett（LB）制膜法中铺展的各发展阶段的完整图谱；采用传统水动力学与分子动理论，发现并解释了在表面活性剂底液上铺展的约束效应。 流体动力学的研究方法是从宏观的流体动力学的角度，根据铺展的约束条件如底液厚度、铺展维度等，建立力学平衡方程和边界条件，从而对该问题进行求解，主要研究宏观尺度（毛细尺度）的浸润和铺展问题。但由于液-液浸润系统中还存在赝部分浸润状态，液滴在这种浸润状态下其周围存在分子级厚度的薄膜，这时水动力学理论将不再适用，因而需要将分子动理论引入该问题之中。因此本文在研究表面活性剂底液上铺展的约束效应时，将统计物理的分子动理论方法引入到了液-液浸润系统中，以解决分子尺度的铺展问题。 本文工作内容及主要结论为： （1）实现了色毛细效应驱动的液-液界面浸润性控制。发现了在色毛细效应驱动的浸润过程中不同于传统的水动力学铺展标度律幂指数的新的铺展标度律关系。 （2）从流体动力学的角度重新认识了传统 LB 方法中的制膜过程，给出了成膜铺展过程各个阶段完整的力学图像。发现了铺展过程中存在着标度律奇异性现象。 （3）基于表面活性剂分子单层的表面弹性模型，结合传统水动力学与分子动理论，预测并实验验证了限位铺展中由表面弹性能产生的约束效应。给出了表面活性剂分子单层上的铺展中可能存在的力学作用机制。