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《微纳米球形颗粒之间的毛细力研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第30卷第1期广西师范大学学报:自然科学版Vol.30No.12012年3月JournalofGuangxiNormalUniversity:NaturalScienceEditionMar.2012微纳米球形颗粒之间的毛细力研究阳丽,孔令江(广西师范大学物理科学与技术学院,广西桂林541004)摘要:两球形颗粒之间的相互接触问题是研究微机械系统中纳米接触问题的一个重要课题。在微尺度下,毛细液桥现象尤为重要,在观测纳米级物体的相互接触作用力中不可避免地要研究微纳米尺度的液桥问题。本文采用液桥力学平衡、环形近似、体积守恒方法,建立了微纳米球形
2、颗粒之间的液桥模型,通过精确的数学求解,分析球形颗粒的接触角对于毛细作用力和液桥的断裂高度的影响。模拟结果发现,当2个颗粒之间的毛细力作用都很小时,液桥的断裂高度随着接触角的增加而减小,当其中一个颗粒的毛细力作用比较大时,断裂高度随着接触角的增大而增大,接触角的大小对于液桥的断裂高度有直接的决定作用。研究结果为计算预测微观颗粒之间的相互作用力、探索纳米颗粒间的相关特性和机理提供参考。关键词:微观颗粒;毛细液桥;断裂高度中图分类号:O647.6文献标识码:A文章编号:1001-6600(2012)01-0001-040引言近年来,纳米颗粒的微
3、观动力学研究由物理学领域扩展到了化学、医药、生物、材料等领域。当物质结构的特征尺寸小到微纳米时,一些宏观状况下被忽略的因素,如量子效应、尺寸效应、表面效应等,将在微观接触问题中占据主导地位。许多学者对于微观颗粒之间的相互作用力做了大量的研究,他们发现颗粒之[1]间的相互作用力主要包括毛细力、范德华力、静电力和重力作用等。当2个颗粒表面在一定的湿度环境[2]-8下相互接近的时候,由于毛细凝聚现象两表面之间瞬间形成液桥,产生毛细相互作用(大约为10N),因此由毛细液桥产生的毛细力在颗粒间作用力中占主导作用。[3]第一位讨论宏观粒子间液桥现象的学
4、者是Fisher,他计算了2个相同大小球形颗粒之间的轴对称毛细力。除了建立液桥模型和研究液桥的动力学性质以外,许多学者致力于研究2个宏观球形颗粒或是颗粒[4]与平面之间液桥的断裂距离。Willett采用closed-form近似法,提出了厘米级球形颗粒之间、球形颗粒和[5]平面之间液桥的断裂高度的解析表达式。Lian采用Gibbs最小自由能方法分析2个毫米级的球形颗粒之间的毛细力,提出液桥断裂高度与体积之间的近似关系公式(适用于材料接触角相同并且小于40度的情况)。目前的文献中计算两颗粒之间的作用力大多基于简化假设和几何近似的方法。当颗粒的
5、半径处于微米量级或纳米情况下进行相互分离运动时,这种近似方法需要进一步的改进。因此,本文采用力学平衡、环形近似、体积守恒方法,利用精确的数学计算,建立纳米量级球形颗粒之间的液桥模型,主要分析接触角对于2个颗粒分离运动中毛细液桥断裂高度的影响。这些研究为组装纳米器件、操作纳米粒子提供理论分析[6]方法。1模型和计算方法图1中为本文的理论模型图。下表面是基底表面。Rt和Rp分别表示2个微观颗粒的半径大小;表示液体与表面之间形成的接触角;(x,y)为固—液—气三相接触点坐标;为三相交点处的半径的径线与对称轴形成的角度,称为包含角;(x0,y0
6、)表示毛细弯月面的圆心坐标;H表示2个表面之间的纵向距离;rn收稿日期:2011-11-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(11165004,81060307)通信联系人:阳丽(1981-),女,广西桂林人,广西师范大学教师,博士。E-mail:guilinderen@126.com2广西师范大学学报:自然科学版第30卷表示液桥的方位角半径;rtp表示液桥的子午线半径。毛细力的大小与周围空气湿度、液体接触角、颗粒的几何构型及接触状况等有关。静态毛细力Fc包括两部分:一部分力是由于毛细弯月面的曲率产生的压强差p引起的,即作用于液桥表面的
7、拉普拉斯压力。另一部分是由表面张力作用在液—气界面切线上的竖直分量,即作用于颗粒(固—液—气)三相交界圆周上的液桥表面张[3]力。2F=xp-2xsin(+),(1)其中p表示液桥内外的压强差,表示液体的表面张力。对于垂直放置的轴对称液桥(忽略重力),当液桥自由表面发生静态变形时,必须满足力平衡条件。由Young-Laplace方程描述。图1微观颗粒之间相互理论模型示意图11Fig.1Schematicdiagramofthep=(-)。(2)rnrtpmicroparticlesinteraction当2个颗粒在一定的
8、湿度环境下相互接近的时候,Htp=0时为液桥的初始状态,在初始状态下,毛细液桥与周围环境处于热力学平衡状态,与周围的空气湿度密切相关,因此可以用Kelvin方程描述空气中的相对湿
