纳米尺度毛细作用基本要素的若干疑难问题研究

随尺度变化的液体表面张力、三相接触线的线张力以及固液纳观接触角是作为纳米科技重要支柱的纳米尺度毛细作用的三大基本要素。由此引起大量复杂的现象需要研究。虽然很受重视，但是其本身的复杂和艰难致使三大基本要素本身存在的许多疑难点至今未能解决，分歧很大。本申请课题对三大基本要素的存疑问题进行研究，因为它们具有基本意义。我们将就纳观尺度下决定液体表面张力随曲率变化的Tolman长度在我们建立的严格的热力学关系式基础上前进，把已有的各种矛盾的近似公式统一处理，找到它们之间的联系。弄清线张力与表面曲率、线曲率以及接触角的关系，解决存在的分歧。对现有的纳观接触角的已有理论结果作出正确的评价，扬弃其中的错误认识，进一步提出能够概括已有理论中正确部分的系统理论框架，消除分歧。所以这些问题的研究都建立在纳观物理力学的基础至上。把理论分析与分子动力学模拟相结合。以此继承我的老师钱学森先生发展纳米物理力学的遗愿。

随尺度变化的液体表面张力、三相接触线的线张力以及固液纳观接触角是作为纳米科技重要支柱的纳米尺度毛细作用的三大基本要素。由于其本身的复杂和艰难致使三大基本要素本身存在的许多疑难点至今未能解决，分歧很大。本课题迎难而上。..找到了把Tolman长度用宏观可观察量来表示的新的更好的近似公式。..对争议特大的蒸汽泡的Tolman长度符号疑难，采用减少统计误差的氩的圆柱蒸汽泡进行MD模拟，得到表面张力随半径的增加而减小， Tolman长度= - 0.6225σ, 其中σ是氩原子直径 0.3405 nm。肯定了其符号为负，从而否定了Ar为接近零的文献报道，并且揭示其错误根源在于经验状态方程的不适当应用和张力面与等摩尔面差异的忽视。...对液滴和液柱的张力面半径及相关表面张力用压力分布表示的积分关系式，我们纠正了前人的推导错误，还给出适合于MD模拟的若干新形式。..对液气界面的宏观Young-Laplace公式是否适用于纳米尺度疑难进行了相关MD模拟研究。圆柱情况的结果表明，该方程可以在纳米尺度具有相当良好的近似，球形液滴的结果表明，该方程的相对误差在0.00003和0.007之间。..使用吉布斯分界面的理论，对材料均匀、粗糙的、不可变形的平固体表面上的液滴，对液相和气相之间的任何吉布斯分界面给出了纳观接触角的新的广义Young氏方程，其中包括线张力及其尺度效应的影响。在某些假设下，该公式简化为著名的Wenzel方程或Rosanov方程。..对材料非均匀但光滑的不可变形的平固体表面上的液滴，对液相和气相之间的任何吉布斯分界面给出了纳观接触角的新的广义Cassie-Baxter方程，其中包括线张力及其尺度效应的影响。如果忽略线张力的影响，那么该方程便退化为著名的Cassie-Baxter方程。..对宏观非润湿的金属纳米团簇，研究得到表面张力与团簇原子数N的,含有材料参数的关系式；还得到在大直径的单壁碳纳米管中的有限临界原子数N _π的表示式，使得原子数N小于它时，将具有接触角π ，从而金属团簇便收缩成球。..对单壁碳纳米管中氩团簇的结构进行的系统的分子动力学模拟研究表明，随着碳纳米管半径的增加，氩团簇的结构由单原子链转变为螺旋和多壳的同轴圆柱体。纳米管的手性对氩团簇结构没有明显影响，指出文献在这点上的错误根源。还就温度对单壁碳纳米管中氩团簇结构的影响进行了研究和讨论。