固体表面涂层增加液体边界层速度

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2016年2月11日

正如萨尔大学(Saarland University)和巴黎ESPCI的物理学家在研究中发现的那样，液体可以在固体表面上滑动，就像有舵雪橇在冰上滑行一样。在固体表面和液体之间的边界上涂一层涂料，使液体滑动通过。滑动效应提高了液体的平均流速和吞吐量。通过观察不同涂层的固体表面液滴达到平衡状态时的行为，证实了这种效应。研究结果可为塑料挤压等工业生产工艺的优化提供参考。这项研究发表在著名的学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。欧洲杯线上买球

两种不同基体上的聚苯乙烯液滴慢慢地采用了相同的平衡接触角，但两种情况下液滴内分子的速度和流动分布是不同的。(插图:托马斯·布劳恩，海德堡)

当液体在固体表面上流动时，接近固体表面的流速为零。

通过对表面进行特殊涂层，可以提高边界层速度。这也有减小液体内部剪切力和增加其平均流速的作用。在极端情况下，液体的行为几乎像固体，但粘度没有任何变化。

卡琳·雅各布斯,萨尔大学实验物理学教授。

研究小组正在用聚苯乙烯(PS)液滴进行实验，以揭示各种表面如何影响边界层速度和液体薄膜的滑动行为的细节。

聚苯乙烯是一种重要的聚合物，用于制造CD珠宝盒。

Joshua D. McGraw博士，前博士后

这项研究是由萨尔州大学实验物理学教授拉尔夫·西曼(Ralf Seemann)领导的研究小组成员和巴黎理工大学ESPCI的研究人员共同努力的结果。

当聚苯乙烯液滴被放置在薄云母表面时，它们会变平，大小比普通雨滴小一千倍以上。液滴在这种条件下被冻结，然后转移到两个“不太友好的ps”衬底上，每个衬底有不同的空间原子排列。液滴在两种基底上几乎呈半球形。

液滴总是倾向于采用一种平衡形式，在这种平衡形式中，液滴与表面的接触角一定。这种平衡状态是由边界层条件决定的

卡琳·雅各布斯,实验物理学教授，萨尔州大学

利用原子力显微镜进行的聚苯乙烯液滴剖面测量显示，尽管液滴在两种基底上的平衡接触角相同，但液滴收缩有相当大的差异，从接触角较小的初始形状变化为随后的半球形形状。

“这只能意味着液滴中的分子在两种不同的表面上以两种不同的方式运动，这反过来意味着两种液滴中的速度剖面肯定是不同的，”Ralf Seemann小组的Martin Brinkmann博士和Tak Shing Chan博士说。“然而，所要求的分辨率在实验上是不可用的。这就是为什么我们需要巴黎的理论家的支持。”

根据Saarbrücken的研究人员得出的结论，固体表面液体的速度是影响小液滴流动行为的重要因素。巴黎ESPCI的研究团队将这种效应纳入流体动力学的理论模型中。Martin Brinkmann和Tak Shing Chan利用理论描述进行了计算机模拟，得到了液滴内部的分子速度场。

“这使我们能够证明，即使是对固体表面的原子尺度的修改，也可以改变分子在比表面涂层本身厚许多数量级的液体系统中的移动速度。”雅各布斯教授在总结实验结果时说。