我国学者首次解释了托马斯·杨方程

仙仙

科技日报讯 记者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。