科技日报@我学者首次解释验证了托马斯·杨方程
科技日报采访人员 吴长锋
采访人员从中国科学技术大学获悉 ， 该校工程科学学院、中科院材料力学行为和设计重点实验室团队 ， 研究了固液界面毛细力的微观起源 ， 揭示了液滴接触线处受力平衡的作用机理 ， 并从力学角度给出了杨氏方程的合理解释 。 该研究成果日前发表在《物理评论快报》上 。
1805年 ， 英国科学家托马斯·杨（Thomas Young）在研究润湿和毛细现象时描述了界面张力和接触角的定量关系 。 两百多年来 ， 杨氏方程已成为润湿领域最基本的理论之一 。 虽然基于热力学能量最小化方法可推导得到该方程 ， 但是研究者一直致力于从力学角度解释杨氏方程 ， 并验证其在纳米尺度的有效性 。 该领域仍存在许多关键科学问题亟待解决：一方面 ， 作为控制液滴动力学的关键因素 ， 作用在固液气三相接触线处的毛细力并没有在杨氏方程中明确体现 ， 且易于与界面张力的概念混淆 。 另一方面 ， 由于固液、固气界面张力难以在实验中准确测量 ， 杨氏方程的验证一直存在着争议 。
针对以上挑战 ， 研究人员从微观上深入剖析了界面张力的物理意义并对其进行分解 ， 找到了一种新的方法来定量描述固液气三相接触线处的毛细力 ， 进一步明确了该毛细力与界面张力之间的区别和联系 。 在此基础上 ， 研究者建立了描述液滴接触线处毛细力平衡的理论模型 ， 并给出了杨氏方程的力学解释 。 该理论得到了分子动力学模拟结果的验证 。 研究结果还表明：在小接触角的情况下 ， 固液和液气界面在接触线处存在重叠 ， 固体表面的液体有序层状结构对毛细力具有重要影响 。
该研究不仅为深刻理解界面润湿的诸多现象提供了新的认知 ， 而且在微纳流控芯片设计、提高低渗透油藏采收率等应用领域也具有重要的科学意义 。
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【科技日报@我学者首次解释验证了托马斯·杨方程】
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