記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校工程科學學院、中科院材料力學行為和設(shè)計重點實驗室團隊，研究了固液界面毛細力的微觀起源，揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機理，并從力學角度給出了楊氏方程的合理解釋。該研究成果日前發(fā)表在《物理評論快報》上。
1805年，英國科學家托馬斯·楊在研究潤濕和毛細現(xiàn)象時描述了界面張力和接觸角的定量關(guān)系。兩百多年來，楊氏方程已成為潤濕領(lǐng)域最基本的理論之一。雖然基于熱力學能量最小化方法可推導(dǎo)得到該方程，但是研究者一直致力于從力學角度解釋楊氏方程，并驗證其在納米尺度的有效性。該領(lǐng)域仍存在許多關(guān)鍵科學問題亟待解決：一方面，作為控制液滴動力學的關(guān)鍵因素，作用在固液氣三相接觸線處的毛細力并沒有在楊氏方程中明確體現(xiàn)，且易于與界面張力的概念混淆。另一方面，由于固液、固氣界面張力難以在實驗中準確測量，楊氏方程的驗證一直存在著爭議。
針對以上挑戰(zhàn)，研究人員從微觀上深入剖析了界面張力的物理意義并對其進行分解，找到了一種新的方法來定量描述固液氣三相接觸線處的毛細力，進一步明確了該毛細力與界面張力之間的區(qū)別和聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，研究者建立了描述液滴接觸線處毛細力平衡的理論模型，并給出了楊氏方程的力學解釋。該理論得到了分子動力學模擬結(jié)果的驗證。研究結(jié)果還表明：在小接觸角的情況下，固液和液氣界面在接觸線處存在重疊，固體表面的液體有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)對毛細力具有重要影響。
該研究不僅為深刻理解界面潤濕的諸多現(xiàn)象提供了新的認知，而且在微納流控芯片設(shè)計、提高低滲透油藏采收率等應(yīng)用領(lǐng)域也具有重要的科學意義。
