非均勻氣液成核及納米顆粒在氣液界面穩(wěn)定性的密度泛函理論研究.pdf

1、作為一種普遍的物理現(xiàn)象，氣液相變廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，并且發(fā)揮著重要的作用。氣液相變通常是一階相變，它的發(fā)生是通過成核-生長(zhǎng)這一過程來實(shí)現(xiàn)的，因此研究氣液成核過程對(duì)于我們理解氣液相變具有重要的意義。而研究臨界核的形態(tài)或結(jié)構(gòu)，計(jì)算成核過程中的成核能壘以及成核速率，討論成核發(fā)生的各種機(jī)理，則是成核研究中的重要內(nèi)容。另一方面，處在氣液界面上的納米顆粒在諸如礦物浮選、自組裝過程、穩(wěn)定乳液等多個(gè)方面也有著許多重要的應(yīng)用，因此吸

2、附在氣液界面的納米顆粒已經(jīng)成為膠體科學(xué)研究中的一個(gè)中心課題。
　　本文采用基于晶格模型的密度泛函理論，對(duì)以下兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究:一個(gè)是非均勻氣液成核;另一個(gè)是納米顆粒在氣液界面的穩(wěn)定性。具體而言，主要工作包括:
　　(1)研究了多個(gè)納米顆粒在氣液成核中的協(xié)同效應(yīng)。通過計(jì)算由鄰近的兩個(gè)納米顆粒所誘導(dǎo)的氣液成核，考察其成核能壘以及臨界核形態(tài)的變化。計(jì)算表明，當(dāng)氣液相變的臨界核尺寸與納米顆粒之間的距離（或者是固體表面活化點(diǎn)之

3、間的間距）可比較時(shí)，在成核過程中存在著協(xié)同效應(yīng)，即相互鄰近的納米顆粒將以更低的成核能壘以及不同的臨界核形態(tài)共同促進(jìn)氣液相變的發(fā)生。而且，本文還研究了協(xié)同效應(yīng)如何受納米顆粒之間的距離、流體-固體作用強(qiáng)度以及顆粒大小的影響，并討論了成核機(jī)理的變化情況。當(dāng)顆粒的間距大于某個(gè)臨界距離之后，協(xié)同效應(yīng)消失。而在協(xié)同效應(yīng)發(fā)生作用的范圍，形成的臨界核包括對(duì)稱或非對(duì)稱兩種結(jié)構(gòu)，其形態(tài)是連接兩個(gè)顆粒的水橋或者是包裹或依附在兩個(gè)顆粒上的液滴。另外，為了考察顆

4、粒距離和流體-固體作用強(qiáng)度對(duì)成核機(jī)理的影響，本文構(gòu)造了成核機(jī)理的相圖，得到了5種不同的成核機(jī)理。這一相圖為我們?nèi)胬斫獬珊寺窂揭约皡f(xié)同效應(yīng)提供了方便。
　　(2)本文還研究了柱狀疏水表面上液滴的冷凝過程，包括液滴的成核及生長(zhǎng)。類似于在這一疏水表面上的宏觀液滴，液滴的臨界核也呈現(xiàn)兩種不同的潤(rùn)濕狀態(tài):Cassie態(tài)或者Wenzel態(tài)。臨界核的潤(rùn)濕狀態(tài)取決于柱子的高度與間距。對(duì)于液滴的成核，計(jì)算了其成核能壘以及臨界核的潤(rùn)濕狀態(tài)如何隨著柱

5、子的高度和間距進(jìn)行變化。計(jì)算表明存在一個(gè)臨界距離，當(dāng)柱子之間的間距大于該臨界值時(shí)，不論柱子高度如何變化，臨界核總是處于Wenzel態(tài)并且相比于光滑表面，柱狀表面總是促進(jìn)成核的。而當(dāng)柱子之間的間距小于該臨界值時(shí)，該表面是抑制成核的，并且臨界核的潤(rùn)濕狀態(tài)與柱子的高度有關(guān)。而且，臨界核的潤(rùn)濕狀態(tài)不一定就是所形成的微觀液滴的潤(rùn)濕狀態(tài)。在液滴的生長(zhǎng)過程中，當(dāng)柱子高度大于某個(gè)臨界高度時(shí)，由Wenzel態(tài)的臨界核生成的液滴會(huì)自發(fā)地變成Cassie態(tài)。

6、這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解液滴冷凝對(duì)表面超疏水性的影響具有重要的意義。
　　(3)本文還研究了納米顆粒在氣液界面的穩(wěn)定性。通過計(jì)算使顆粒從界面完全離開所需要的活化能，比較了不同顆粒在界面的穩(wěn)定程度，并且研究了納米顆粒的性質(zhì)對(duì)其穩(wěn)定性的影響，包括流體-固體作用強(qiáng)度、納米顆粒的大小以及顆粒的形狀。計(jì)算表明，當(dāng)εsf=0.5時(shí)，顆粒在界面上最穩(wěn)定，而隨著εsf的增大或減小，顆粒在界面的穩(wěn)定性下降。而顆粒的半徑越大，其在界面也越穩(wěn)定。為了研究顆粒形