纳米涂层表面的润湿透明度研究

A nano-scale coating on the surface of solid is an effective way to change the wetting property of the surface. It is very important for the design of materials in chemical engineering and microelectronic industry to obtain the relationship between the wetting transparency of nano-scale coatings on solid and the interactions among working fluid, coating molecule and solid surface. This is also a significant scientific progress and has a broad application prospect. Based on the weighted density functional theory we proposed previously, a new density functional theory for real working fluids such as water, methanol, etc. Is constructed using the semiflexible hard-sphere chain as a reference fluid. The external potentials exerted on the working fluid molecules are proposed to be determined via quantum mechanic calculations. A statistical mechanic theory will be proposed to predict the wetting transparency of working fluids on the nano-scale coatings on the solids. The simulations for the corresponding systems as well as the measurement of contact angles of working fluids on the surfaces are carried out to validate the established theoretical method. Since electrical field widely exists in the electronic instruments, we will also study the effect of the electrical field on the wetting transparency of water and methanol on the nano-scale coatings, which will provides a a solid basis for liquid droplet control. The proposed theory will provide a guide for the design of the decoration of materials for chemical engineering equipments and electronic instruments, satisfying the needs of the development of the material science and surface science.

在固体材料表面进行纳米涂层修饰是改变和控制材料表面亲水疏水性质的有效方法。研究清楚固体材料纳米涂层表面的润湿与工作流体、涂层分子和固体表面三者相互作用之间的内在关系，对于化工设备材料和微电子器件材料制备工艺设计等有着重要的科学意义和广阔的应用前景。本项目拟在申请人以前的密度泛函理论研究的基础上，以计入键角能的半柔性硬链为参考流体，提出能应用于实际水醇等工作流体的新的密度泛函理论。应用量化理论确定工作流体所受的外场，建立能够研究工作流体在固体材料纳米涂层表面润湿透明度的统计力学理论。做相应体系的分子模拟和纳米涂层表面工作流体接触角的实验测定，用以检验本项目所建立的理论方法。由于电场存在于电子设备中，所以我们还理论研究了外加电场强度对纳米涂层表面水醇润湿透明度的影响，为控制液滴运动奠定了基础。所建理论可用于指导化工设备和纳米电子器件材料表面修饰工艺的设计，满足材料科学和表面科学发展需要。

二维纳米涂层材料的表面性质对于化工设备和纳米电子器件的设计至关重要。本研究项目通过构建二维纳米涂层材料的表面模型，应用密度泛函理论计算方法，研究和开发石墨烯等二维纳米材料的表面性质及其与碱金属、有机电极活性物质和环境有害气体分子间的相互作用。研究结果表明，通过掺加Ⅲ-IV元素原子或改变外加电场强度，可以将石墨烯的功函数在0.5-8.5eV之间进行调节，这为石墨烯作为接能电极和场致发射器件材料提供了依据。计算发现恩醌类有机电极活性物质在二维材料石墨烯和六方氮化硼表面为强物理吸附，掺入石墨烯或六方氮化硼的有机电极在电解液中的溶解度会下降，这可使有机电池使用寿命延长。我们发现硅原子掺杂的石墨烯具有较高的催化活性，使用它可以催化用一氧化碳还原一氧化二氢的反应，说明硅掺杂石墨烯是一种脱除环境有害气体的高效绿色催化剂。我们发现未修饰的Nb2C材料作为超级电容器电极材料时具有很高的量子电容，其电容是石墨烯类电极的8-10倍，而OCH3基团修饰的Nb2C层状材料，具有超低功函数（接近1.0eV），非常适合做场发电极材料。膨胀层状Ti3C2类负极材料的层间距，可以提高钠离子电池的开路电压、充放电速度和电池容量。同时，我们还提出了一个能预测二维纳米复合材料表面功函数的简便方程，与计算量很大的密度泛函理论的计算结果偏差在±0.05eV之间。提出的使用离子选择电极测定强电解质固体溶解度的实验方法，具有方便、灵敏度和准确度高的优点，这为固体溶解度提供了可靠便捷的测试手段。我们的研究，为金属离子电池、超级电容器、场致发射以及环境有害气体脱除设备等提供了可用高效功能材料。这对于提高能源利用效率，节约成本，保护环境，造福社会都将有着积极的贡献，具有重要的科学意义。