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表面張力尺度效應(yīng)對微納米器械的制造有指導(dǎo)意義
來源:山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 瀏覽 348 次 發(fā)布時間:2024-08-26
近年來,隨著納米技術(shù)的發(fā)展,研究對象進(jìn)入納米尺度量級。此時,比表面積增加,表面作用加強(qiáng),許多物理現(xiàn)象與宏觀世界的表現(xiàn)有了很大差別。表面張力隨尺度的變化規(guī)律也隨之成為人們關(guān)注的內(nèi)容。
表面張力指在液面上(對彎曲液面是在液面的切面上)垂直作用于單位長度上的使表面積收縮的力,單位為N/m.從力學(xué)角度理解為:處于液氣分界面的分子,受到氣相一方的作用力比來自液體方面的要小的多,這種不平衡力的表現(xiàn)即為表面張力。19世紀(jì)末20世紀(jì)初,Gibbs從熱力學(xué)角度引入表面自由能的概念,單位為J/m2.表面張力和表面自由能的量綱相同,通過計算自由能的變化也可用于研究表面張力規(guī)律。當(dāng)液滴相越來越小時,上述方法的準(zhǔn)確度遭到質(zhì)疑。科學(xué)家認(rèn)為采用統(tǒng)計力學(xué)的方法,統(tǒng)計個體分子相互施加的作用力來研究表面張力應(yīng)該更有效。
隨著研究尺度的改變,表面張力表現(xiàn)出的變化特點就是表面張力尺度效應(yīng)的研究內(nèi)容,它直接與宏觀經(jīng)典理論的修正相聯(lián)系,并對微納米器械的制造有指導(dǎo)意義。
1、理論分析
歷史上人們對表面張力的認(rèn)識經(jīng)歷了多個階段。目前許多人認(rèn)為,只有在液滴變得極小的情況下,液滴半徑對表面張力的影響才變得顯著起來。
1949年,Tolman在研究表面張力與液滴大小關(guān)系時引入了后來被稱為托爾曼長度的物理量,使問題進(jìn)入定量研究階段。
1.1托爾曼長度的定義
用一個簡單的公式表示如下:
式中,δ表示托爾曼長度,Re為等摩爾面半徑,可理解為“零吸附面”,以該半徑取值的分界面無分子存在;為Gibbs張力面半徑,可理解為“最小張力面”,以該半徑取值的分界面表面張力值最小。
下面給出平液面表面張力σ0和半徑為r的液滴表面張力σ的關(guān)系式:
式(2)很復(fù)雜,在認(rèn)為托爾曼長度δ為常數(shù),而且忽略上式高階項后,得到
式(3)告訴我們,表面張力隨液滴半徑縮小而減弱。
1.2研究內(nèi)容
由式(3)發(fā)現(xiàn),當(dāng)δ與液滴半徑在同樣的數(shù)量級時,表面張力所受影響將非常大,δ所遵從的規(guī)律及其與其它物理參量的關(guān)系,比如說等溫壓縮率的關(guān)系等,是當(dāng)前熱點問題。從理論和實驗角度都有必要開展相應(yīng)的工作。
2、研究方法和現(xiàn)狀
力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)等的研究得到了許多結(jié)果。力學(xué)和熱力學(xué)方法存在的局限性在于對微納米系統(tǒng),研究對象不能作為連續(xù)介質(zhì),粒子之間作用要用離散作用模型。
數(shù)值計算是一種重要的科研手段,它與統(tǒng)計力學(xué)相結(jié)合使人們得到許多新成果。
分子動力學(xué)是一套分子模擬方法,依靠牛頓力學(xué)來模擬分子體系的運(yùn)動,在由分子體系的不同時刻狀態(tài)構(gòu)成的系綜中抽取樣本,計算體系的熱力學(xué)量和其它宏觀性質(zhì),得到的結(jié)果既有系統(tǒng)的靜態(tài)特性,也有動態(tài)特性。
密度泛函理論在這里主要指統(tǒng)計力學(xué)的密度泛函理論,20世紀(jì)60年代,由Morita、Percus等一批人的工作奠定基礎(chǔ),隨后得到迅速的發(fā)展。簡單地說,密度泛函以系統(tǒng)空間密度ρ(r)為基本變量,然后利用變分原理求巨熱力勢,就可以了解系統(tǒng)的其他性質(zhì)。
分子動力學(xué)在計算較少分子數(shù)組成的系統(tǒng)時有良好的效果,密度泛函理論則可計算較大的宏觀系統(tǒng)。在計算簡單液體時,雖然量級結(jié)果接近,但幾種平均場密度泛函理論認(rèn)為δ取負(fù)值,而用分子動力學(xué)計算Lennard-Jones液體則得到δ為正,需要合理解釋;溫度對表面張力的影響也存在分歧,尤其在趨于臨界點時,δ是以何種函數(shù)形式趨于零還是某一有限值,平均場密度泛函理論結(jié)果認(rèn)為對溫度的依賴性不強(qiáng),而用分子動力學(xué)計算Lennard-Jones液體則得到δ為正,溫度影響較大;有關(guān)系式δ=-klσ,kl是等溫壓縮系數(shù),σ是表面張力,它的物理機(jī)制是什么,需要人們解釋。表面張力的研究很有挑戰(zhàn),值得人們深入。
3、重要應(yīng)用
許多自然現(xiàn)象都與表面張力有關(guān),如云、霧、雨的產(chǎn)生機(jī)制等。這里特別提出的是近年來生物仿真技術(shù)中的應(yīng)用,在著名雜志nature中有關(guān)于一種小昆蟲水黽的報道,它能依靠水表面產(chǎn)生波紋的表面張力很輕松地在水面行走,該發(fā)現(xiàn)有望幫助人們設(shè)計新型微型水上交通工具,如無舷船舶。
微流體驅(qū)動與控制技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)制造中的一個熱點,目前廣泛以表面張力作為驅(qū)動力實現(xiàn)自裝配。尤其是MEMS技術(shù)的發(fā)展,通過系統(tǒng)的微型化、集成化生產(chǎn)制造了許多具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。例如2005年4月,美國物理學(xué)家Alix領(lǐng)導(dǎo)的小組公布了世界上首臺納米發(fā)動機(jī)的誕生。這臺發(fā)動機(jī)由置于納米碳管基座上的兩滴液體物質(zhì)構(gòu)成,利用液體的表面張力工作。
成核現(xiàn)象與相變理論被廣泛應(yīng)用于氣液相變、晶體生長等領(lǐng)域。美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn),納米尺度液滴的形狀和普通宏觀液滴不一樣,這項研究成果有助于科學(xué)家們研究納米尺度的液滴行為,其目標(biāo)是設(shè)計出能控制極少量液體流動的新技術(shù),有可能利用在生物儀器檢測技術(shù)方面。