论文部分内容阅读
本文致力于从实验和分子动力学计算两种角度来研究固体表面上原子尺度的性质对液体浸润性质的影响。 水和固体几乎存在于各个角落，构成我们肉眼直接看到的大干世界。水在固体上的宏观浸润行为广泛存在，从办公桌上的咖啡滴到大气中飘散着的固体颗粒，都涉及到水在固体表面上的浸润行为。可以说，不论是在自然界、科学研究、工业界，水的浸润行为都扮演着重要的角色。具有特殊浸润性质（如超亲水、超疏水）的表面在很多学科中都有着巨大的潜在应用，例如生物医学、工程学、化学和材料科学。超亲水表面指的是水在其表面可以迅速铺展形成水膜，与此相反的是超疏水，水在其表面形成类似球形的水滴状态。鉴于这些应用前景，众多的科研人员对于制备具有这种特性的材料投入了很大的精力。目前，这些方法制备的材料仍然受制于寿命短、用料有毒、机械性质差等诸多问题。研究表面的分子尺度甚至原子尺度性质能够让我们更加深刻地理解水的浸润行为，从而为解决问题提供新的思路。 本论文设计了一种利用分子自扩散机制制备的异质结构，该结构由纳米颗粒、聚二甲基硅氧烷和衬底三部分构成;再利用其他的后续处理方法，例如光的照射，可以将一个超亲水的表面转化成超疏水表面。在光的照射下，聚二甲基硅氧烷被纳米颗粒催化分解并生成硅化物小分子，然后这些分子通过扩散作用穿透纳米层并且吸附在纳米颗粒的表面，纳米表面的微观结构和这些表面张力较低的分子共同导致了该表面由亲水转化为疏水。 利用疏水物质修饰粗糙的表面是目前获取超疏水的常用方法，但是对于覆盖度与浸润之间的定量关系没有被确定。我们测量确定了亲水转化为疏水所需要的时间，并利用分子动力学计算来进一步研究了覆盖度与浸润之间的关系，结果显示，在30％左右的覆盖度情况下已经能够实现亲水到疏水的转变。这也就意味着，在实际应用中，有微米和纳米结构存在的情况下，如果要得到超疏水的表面，只需要30％的亲水表面被覆盖即可。这个结果为实验和生产提供了定量的标准，有利于制备过程中减少材料的消耗。此外，我们利用氢氧化钾溶液的浸泡将疏水分子从表面去除，又能将其转化为亲水状态，从而实现超亲水-超疏水转变的人为控制。 宽禁带半导体是具有良好的性能而被广泛研究，其不同极性面的性质有很大区别。我们详细地研究了碳化硅不同极性面的浸润性，并根据实验结果开发了依据浸润来判定碳化硅极性面的方法。碳化硅晶体有碳极性面（碳面）和硅极性面（硅面）。我们的结果表明，尽管碳化硅有很多不同的晶型和不同的掺杂，但是水在碳面的接触角总是比在硅面的大。分子动力学模拟的结果也显示，碳面附近的水密度比硅面附近的水密度小，表明碳面与水的相互作用比硅面与水的相互作用小，从而产生较大的接触角。极性面的不同是由于碳硅原子层排列的不同引起的，这也表明即使是原子层厚度的不同也能引起宏观浸润的差异。在此基础上，我们提出了利用接触角的数值来区分不同碳化硅的极性面，较大的接触角对应的就是碳面，反之则是硅面。这种办法极大地降低了鉴别碳化硅极性面的成本，对碳化硅产业化应用有重要推进作用。 总之，本论文研究了固体表面原子尺度上的结构和物理性质对浸润的影响，发现分子覆盖表面导致的浸润转变，为表面的浸润修饰提供了新的理论知识;同时确定极性对浸润的差异并开发了以浸润为手段来区分晶体极性面的方法。