清華航院陳民研究組提出納米液滴碰撞破碎臨界判據(jù)

清華新聞網(wǎng)3月13日電 理解納米液滴在與固體表面碰撞過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為是發(fā)展納米噴墨、涂覆及納米級(jí)3D打印技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳民教授研究組利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，在納米尺度觀(guān)察并分析了液滴在與固體壁面碰撞中的系列動(dòng)力學(xué)行為，研究修正了前人對(duì)液滴變形的估計(jì)，并首次提出納米液滴破碎的理論模型。相關(guān)研究結(jié)果以《納米液滴在固體壁面碰撞的鋪展與破碎》（“Spreading and breakup of nanodroplet impinging on surface”）為題，發(fā)表在日前出版的《流體物理》（Physics of Fluids）期刊上。

此項(xiàng)工作被美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Institute of Physics），每日科學(xué)（ScienceDaily），亞洲科學(xué)家（AsianScientist），物理組織（PHYS ORG），3D打?。?DPRINT.com）等科技網(wǎng)站專(zhuān)題報(bào)道，被評(píng)價(jià)為：“幫助理解了納米液滴的破碎機(jī)理”“將促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展”。

圖1.上圖展示了初始直徑為8.6nm的液滴在壁面碰撞破碎過(guò)程中隨時(shí)間的演化。

判斷一個(gè)液滴與固體表面碰撞后是否破碎對(duì)于打印、涂覆中的參數(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。宏觀(guān)條件下的實(shí)驗(yàn)表明，液滴碰撞固體表面后是否破碎與初始液滴大小以及碰撞速度有著很強(qiáng)的相關(guān)性，由實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到的規(guī)律已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。然而，宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律在納米尺度是否仍然適用還不清楚。陳民研究組研究了初始直徑在幾納米到數(shù)十納米的液滴碰撞在平整剛性壁面上的鋪展過(guò)程以及破碎機(jī)制。

圖2.兩種水滴破碎的模式：(a~(c)的破碎由水滴內(nèi)部的失穩(wěn)誘發(fā)；(i)~(iii)的破碎由水滴邊界的失穩(wěn)誘發(fā)。下標(biāo)表示了自碰撞開(kāi)始演化至對(duì)應(yīng)時(shí)刻所需的時(shí)間。

在液滴的鋪展變形過(guò)程中，研究人員通過(guò)引入流場(chǎng)速度梯度在徑向的線(xiàn)性分布，修正了對(duì)液滴變形過(guò)程中的粘性耗散估計(jì)。結(jié)合對(duì)表面自由能的修正，研究人員發(fā)展了對(duì)液滴最大鋪展半徑的估計(jì)式。與前人文獻(xiàn)給出的估計(jì)式相比，此結(jié)果有效地減小了估計(jì)結(jié)果與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差。研究人員在模擬中觀(guān)察到了兩種不同的破碎模式：一種來(lái)源于液滴鋪展過(guò)程中的邊界失穩(wěn)，另一種來(lái)源于液滴鋪展所形成的液膜內(nèi)部失穩(wěn)。針對(duì)納米液滴的碰撞，由于液滴具有極大的比表面積，液滴表面的行為更加重要。研究人員通過(guò)對(duì)液膜表面的穩(wěn)定性分析提出一個(gè)新的理論模型來(lái)預(yù)測(cè)納米液滴破碎的發(fā)生。理論預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合。 

圖3.（a）液膜振動(dòng)的理論模型與模擬剖面圖的對(duì)比；（b）理論得到的破碎的臨界判據(jù)（紅線(xiàn)）與模擬結(jié)果的對(duì)比。

此納米液滴碰撞的理論模型能夠幫助理解液滴在碰撞過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化與變形規(guī)律，對(duì)于納米涂覆、噴墨打印、3D打印都具有重要意義。此外，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰是造成空難的重要原因之一，而20~50微米直徑的過(guò)冷水滴在飛機(jī)表面的碰撞與沉積是機(jī)翼結(jié)冰的主要原因。此納米尺度的模型能夠幫助人們理解當(dāng)液滴尺寸減小后其行為與宏觀(guān)情況下的不同，對(duì)于飛機(jī)防冰相關(guān)研究也有積極的幫助。

2013級(jí)錢(qián)學(xué)森力學(xué)班的本科生李步選同學(xué)為該論文的第一作者，這已經(jīng)是該研究組以錢(qián)學(xué)森力學(xué)班的本科生做為第一作者在《流體物理》（Physics of Fluids）上發(fā)表的第二篇論文（首篇的第一作者李新浩同學(xué)，Physics of Fluids，vol.27，052007, 2015）。本項(xiàng)工作得到國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及清華大學(xué)本科生學(xué)術(shù)推進(jìn)計(jì)劃的支持。分子動(dòng)力學(xué)模擬在清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超算平臺(tái)上完成。

論文鏈接：http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4974053

供稿：航院 編輯：華山