三相接触线的黏滑运动及钉扎力自适应调整的微观机制

The stick-slip motion of the triple contact line refers to the unique dynamic phenomenon that the contact line alternates pinning and moving on the solid substrate. The dynamics of contact line not only is a long standing academic focus in the community of wetting, but also has been playing a significant role in micro- and nano- fabrication. Investigations on contact line dynamics involve multiple length scales and several disciplines, which makes such research extremely difficult. One of the core concerning problems is that the microscopic mechanism for stick-slip motion of the contact line still remains unclear, which requires an in-depth study and perception. This project targets the current scientific frontier and the major concerns in micro- and nano- industry. Three core problems are chosen to be studied using a combined method of both molecular dynamics simulations and theoretical analysis: “physical mechanical mechanism of the contact line pinning-depinning transition”, “microscopic origin of contact angle hysteresis”, “adaptive adjustment mechanism of the pinning force”. This project aims to reveal the underlying mechanism based on the intermolecular force analysis, establish the theoretical model for contact angle hysteresis, and propose a method for controlling contact line motion. The outputs of this project are supposed to promote the innovative applications of mechanics and especially micro- and nano-mechanics in the field of micro- and nano- fabrication.

三相接触线的“黏-滑”运动是指固体基底上接触线钉扎与移动交替进行的特殊动力学现象。接触线的动力学行为是润湿领域长期以来关注的学术热点，近年来在微纳加工领域也具有重要应用。接触线动力学行为的分析非常复杂，涉及到多尺度和多学科交叉，其中的核心问题是接触线“黏-滑”运动的微观机制尚不清楚，急需更深层次的研究和认知。本项目结合目前国际学科前沿问题及微纳加工制备领域的具体需求，通过分子动力学模拟和理论建模相结合的研究手段，拟重点研究“接触线‘钉扎-滑动’转变的物理力学机制”、“接触角滞后产生的微观起源”、“钉扎力的自适应调整机理”等关键科学问题。目标是从分子间力的角度阐明接触线“黏-滑”运动的机制，建立描述接触角滞后微观机理的力学模型，提出控制接触线运动模式的方法，为推动力学特别是微纳米力学在微纳加工制造领域中的创新性应用做出积极的贡献。

三相接触线的“黏-滑”运动是指固体基底上接触线钉扎与移动交替进行的特殊动力学现象。接触线的动力学行为是润湿领域长期以来关注的学术热点，近年来在微纳加工领域也具有重要应用。本项目重点研究了“接触线‘钉扎-滑动’转变的物理力学机制”、“接触角滞后产生的微观起源”、“钉扎力的自适应调整机理”等关键科学问题。从分子间力的角度阐明了接触线“黏-滑”运动的机制，建立了描述接触角滞后微观机理的力学模型，提出了控制接触线运动模式的方法。本项目取得了若干具有重要国际影响的研究成果，并在微观层次深刻认识了三相接触线运动力学行为的固液分子间力作用机理。我们采用分子动力学模拟研究了柔性微柱表面的接触线移动情况，研究发现：微柱表面可提供的最大钉扎力与固液间相互作用与液气表面张力有关系，固液相互作用决定局部钉扎力的大小，液体间相互作用影响微柱表面液体分子的分布。我们也研究了纳米颗粒调控移动接触线的三种运动形式。通过改变纳米颗粒与壁面的作用力，可得到纳米颗粒的三种运动形态。在本项目的资助下，经过研究团队四年多来的勤奋探索和研究，已经发表相关论文26篇，其中SCI论文24篇，其中一区文章9篇，包括ACS Sensors，International Journal of Heat and Mass Transfer，ACS Applied Materials & Interfaces，Nature，Nanoscale等；培养博士研究生8人，其中6人已经毕业并取得博士学位，2人即将与2020年6月份毕业。圆满完成本项目的既定目标。