纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

刘天庆 孙玮 李香琴 孙相彧 艾宏儒

引用本文: 刘天庆, 孙玮, 李香琴, 孙相彧, 艾宏儒. 纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制[J]. 物理化学学报, 2013, 29(08): 1762-1770. doi: 10.3866/PKU.WHXB201306033 shu
Citation:  LIU Tian-Qing, SUN Wei, LI Xiang-Qin, SUN Xiang-Yu, AI Hong-Ru. Growth Modes of Condensates on Nanotextured Surfaces and Mechanism of Partially Wetted Droplet Formation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(08): 1762-1770. doi: 10.3866/PKU.WHXB201306033 shu

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(50876015)资助项目 (50876015)

摘要:

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.

English

    1. [1]

      (1) Miljkovic, N.; Enright, R.; Nam, Y.; Lopez, K.; Dou, N.; Sack,J.;Wang, E. N. Nano Lett. 2013, 13, 179. doi: 10.1021/nl303835d

      (1) Miljkovic, N.; Enright, R.; Nam, Y.; Lopez, K.; Dou, N.; Sack,J.;Wang, E. N. Nano Lett. 2013, 13, 179. doi: 10.1021/nl303835d

    2. [2]

      (2) Rykaczewski, K.; Paxson, A. T.; Anand, S.; Chen, X.;Wang, Z.;Varanasi, K. K. Langmuir 2013, 29, 881. doi: 10.1021/la304264g(2) Rykaczewski, K.; Paxson, A. T.; Anand, S.; Chen, X.;Wang, Z.;Varanasi, K. K. Langmuir 2013, 29, 881. doi: 10.1021/la304264g

    3. [3]

      (3) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Europhys. Lett. 2006, 75, 98.doi: 10.1209/epl/i2006-10069-9(3) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Europhys. Lett. 2006, 75, 98.doi: 10.1209/epl/i2006-10069-9

    4. [4]

      (4) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Langmuir 2007, 23, 6486.doi: 10.1021/la062021y(4) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Langmuir 2007, 23, 6486.doi: 10.1021/la062021y

    5. [5]

      (5) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 076103.doi: 10.1103/PhysRevLett.93.076103(5) Narhe, R. D.; Beysens, D. A. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 076103.doi: 10.1103/PhysRevLett.93.076103

    6. [6]

      (6) Wier, K. A.; McCarthy, T. J. Langmuir 2006, 22, 2433.doi: 10.1021/la0525877(6) Wier, K. A.; McCarthy, T. J. Langmuir 2006, 22, 2433.doi: 10.1021/la0525877

    7. [7]

      (7) Jung, Y. C.; Bhushan, B. Journal of Microscopy 2008, 229, 127.doi: 10.1111/jmi.2008.229.issue-1(7) Jung, Y. C.; Bhushan, B. Journal of Microscopy 2008, 229, 127.doi: 10.1111/jmi.2008.229.issue-1

    8. [8]

      (8) Lafuma, A.; Quere, D. Nat. Mater. 2003, 2, 457. doi: 10.1038/nmat924(8) Lafuma, A.; Quere, D. Nat. Mater. 2003, 2, 457. doi: 10.1038/nmat924

    9. [9]

      (9) Narhe, R. D.; nzalez-Vinas,W.; Beysens, D. A. Appl. Surf. Sci. 2010, 256, 4930. doi: 10.1016/j.apsusc.2010.03.004(9) Narhe, R. D.; nzalez-Vinas,W.; Beysens, D. A. Appl. Surf. Sci. 2010, 256, 4930. doi: 10.1016/j.apsusc.2010.03.004

    10. [10]

      (10) Chen, X. L.; Lu, T. Science in China Series G (Physics, Mechanics and Astronomy) 2009, 52, 233. doi: 10.1007/s11433-009-0041-1(10) Chen, X. L.; Lu, T. Science in China Series G (Physics, Mechanics and Astronomy) 2009, 52, 233. doi: 10.1007/s11433-009-0041-1

    11. [11]

      (11) Xiao, X.; Cheng, Y. T.; Sheldon, B.W.; Rankin, J. J. Mater. Res.2008, 23, 2174. doi: 10.1557/JMR.2008.0260(11) Xiao, X.; Cheng, Y. T.; Sheldon, B.W.; Rankin, J. J. Mater. Res.2008, 23, 2174. doi: 10.1557/JMR.2008.0260

    12. [12]

      (12) Furuta, T.; Sakai, M.; Isobe, T.; Nakajima, A. Langmuir 2010,26, 13305. doi: 10.1021/la101663a(12) Furuta, T.; Sakai, M.; Isobe, T.; Nakajima, A. Langmuir 2010,26, 13305. doi: 10.1021/la101663a

    13. [13]

      (13) Dietz, C.; Rykaczewski, K.; Fedorov, A.; Joshi, Y. J. Heat Transfer 2010, 132, 080904. doi: 10.1115/1.4001752(13) Dietz, C.; Rykaczewski, K.; Fedorov, A.; Joshi, Y. J. Heat Transfer 2010, 132, 080904. doi: 10.1115/1.4001752

    14. [14]

      (14) Kulinich, S. A.; Farhadi, S.; Nose, K.; Du, X.W. Langmuir2011, 27, 25. doi: 10.1021/la104277q(14) Kulinich, S. A.; Farhadi, S.; Nose, K.; Du, X.W. Langmuir2011, 27, 25. doi: 10.1021/la104277q

    15. [15]

      (15) Lau, K. K. S.; Bico, J.; Teo, K. B. K.; Chhowalla, M.;Amaratunga, G. A. J.; Milne,W. I.; Mckinley, G. H.; Gleason,K. K. Nano Lett. 2003, 3, 1701. doi: 10.1021/nl034704t(15) Lau, K. K. S.; Bico, J.; Teo, K. B. K.; Chhowalla, M.;Amaratunga, G. A. J.; Milne,W. I.; Mckinley, G. H.; Gleason,K. K. Nano Lett. 2003, 3, 1701. doi: 10.1021/nl034704t

    16. [16]

      (16) Dorrer, C.; Ruehe, J. Adv. Mater. 2008, 20, 159.(16) Dorrer, C.; Ruehe, J. Adv. Mater. 2008, 20, 159.

    17. [17]

      (17) Chen, C. H.; Cai, Q. J.; Tsai, C. L.; Chen, C. L.; Xiong, G. Y.;Yu, Y.; Ren, Z. F. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 173108.doi: 10.1063/1.2731434(17) Chen, C. H.; Cai, Q. J.; Tsai, C. L.; Chen, C. L.; Xiong, G. Y.;Yu, Y.; Ren, Z. F. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 173108.doi: 10.1063/1.2731434

    18. [18]

      (18) Boreyko, J. B.; Chen, C. H. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 184501.doi: 10.1103/PhysRevLett.103.184501(18) Boreyko, J. B.; Chen, C. H. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 184501.doi: 10.1103/PhysRevLett.103.184501

    19. [19]

      (19) Boreyko, J. B.; Chen, C. H. Phys. Fluids 2010, 22, 091110.doi: 10.1063/1.3483222(19) Boreyko, J. B.; Chen, C. H. Phys. Fluids 2010, 22, 091110.doi: 10.1063/1.3483222

    20. [20]

      (20) Chen, X. M.;Wu, J.; Ma, R. Y.; Hua, M.; Koratkar, N.; Yao, S.H.;Wang, Z. K. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4617. doi: 10.1002/adfm.v21.24(20) Chen, X. M.;Wu, J.; Ma, R. Y.; Hua, M.; Koratkar, N.; Yao, S.H.;Wang, Z. K. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4617. doi: 10.1002/adfm.v21.24

    21. [21]

      (21) Dietz, C.; Rykaczewski, K.; Fedorov, A. G.; Joshi, Y. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 033104. doi: 10.1063/1.3460275(21) Dietz, C.; Rykaczewski, K.; Fedorov, A. G.; Joshi, Y. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 033104. doi: 10.1063/1.3460275

    22. [22]

      (22) Varanasi, K. K.; Hsu, M.; Bhate, N.; Yang,W.; Deng, T. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 094101. doi: 10.1063/1.3200951(22) Varanasi, K. K.; Hsu, M.; Bhate, N.; Yang,W.; Deng, T. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 094101. doi: 10.1063/1.3200951

    23. [23]

      (23) Huang, L. Y.; Liu, Z. L.; Liu, Y. M.; u, Y. J. Int. J. Therm. Sci. 2011, 50, 432. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2010.11.011(23) Huang, L. Y.; Liu, Z. L.; Liu, Y. M.; u, Y. J. Int. J. Therm. Sci. 2011, 50, 432. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2010.11.011

    24. [24]

      (24) He, M.;Wang, J. J.; Li, H. L.; Song, Y. L. Soft Matter 2011, 7,3993. doi: 10.1039/c0sm01504k(24) He, M.;Wang, J. J.; Li, H. L.; Song, Y. L. Soft Matter 2011, 7,3993. doi: 10.1039/c0sm01504k

    25. [25]

      (25) He, M.; Zhou, X.; Zeng, X. P.; Cui, D. P.; Zhang, Q. L.; Chen,J.; Li, H. L.;Wang, J. J.; Cao, Z. X.; Song, Y. L.; Jiang, L. Soft Matter 2012, 8, 6680. doi: 10.1039/c2sm25828e(25) He, M.; Zhou, X.; Zeng, X. P.; Cui, D. P.; Zhang, Q. L.; Chen,J.; Li, H. L.;Wang, J. J.; Cao, Z. X.; Song, Y. L.; Jiang, L. Soft Matter 2012, 8, 6680. doi: 10.1039/c2sm25828e

    26. [26]

      (26) Feng, J.; Qin, Z. Q.; Yao, S. H. Langmuir 2012, 28, 6067.doi: 10.1021/la300609f(26) Feng, J.; Qin, Z. Q.; Yao, S. H. Langmuir 2012, 28, 6067.doi: 10.1021/la300609f

    27. [27]

      (27) Miljkovic, N.; Enright, R.;Wang, E. N. ACS Nano 2012, 6,1776. doi: 10.1021/nn205052a(27) Miljkovic, N.; Enright, R.;Wang, E. N. ACS Nano 2012, 6,1776. doi: 10.1021/nn205052a

    28. [28]

      (28) Enright, R.; Miljkovic, N.; Al-Obeidi, A.; Thompson, C. V.;Wang, E. N. Langmuir 2012, 28, 14424. doi: 10.1021/la302599n(28) Enright, R.; Miljkovic, N.; Al-Obeidi, A.; Thompson, C. V.;Wang, E. N. Langmuir 2012, 28, 14424. doi: 10.1021/la302599n

    29. [29]

      (29) Ko, T. J.; Her, E. K.; Shin, B.; Kim, H. Y.; Lee, K. R.; Hong, B.K.; Kim, S. H.; Oh, K. H.; Moon, M.W. Carbon 2012, 50,5085. doi: 10.1016/j.carbon.2012.06.048(29) Ko, T. J.; Her, E. K.; Shin, B.; Kim, H. Y.; Lee, K. R.; Hong, B.K.; Kim, S. H.; Oh, K. H.; Moon, M.W. Carbon 2012, 50,5085. doi: 10.1016/j.carbon.2012.06.048

    30. [30]

      (30) Rykaczewski, K.; Osborn,W. A.; Chinn, J.;Walker, M. L.;Scott, J. H. J.; Jones,W.; Hao, C. L.; Yao, S. H.;Wang, Z. K.Soft Matter 2012, 8, 8786. doi: 10.1039/c2sm25502b(30) Rykaczewski, K.; Osborn,W. A.; Chinn, J.;Walker, M. L.;Scott, J. H. J.; Jones,W.; Hao, C. L.; Yao, S. H.;Wang, Z. K.Soft Matter 2012, 8, 8786. doi: 10.1039/c2sm25502b

    31. [31]

      (31) Yu, T. S.; Park, J.; Lim, H.; Breuer, K. S. Langmuir 2012, 28,12771. doi: 10.1021/la301901m(31) Yu, T. S.; Park, J.; Lim, H.; Breuer, K. S. Langmuir 2012, 28,12771. doi: 10.1021/la301901m

    32. [32]

      (32) Zhang, Q. L.; He, M.; Zeng, X. P.; Li, K. Y.; Cui, D. P.; Chen, J.;Wang, J. J.; Song, Y. L.; Jiang, L. Soft Matter 2012, 8, 8285.doi: 10.1039/c2sm26206a(32) Zhang, Q. L.; He, M.; Zeng, X. P.; Li, K. Y.; Cui, D. P.; Chen, J.;Wang, J. J.; Song, Y. L.; Jiang, L. Soft Matter 2012, 8, 8285.doi: 10.1039/c2sm26206a

    33. [33]

      (33) Feng, J.; Pang, Y. C.; Qin, Z. Q.; Ma, R. Y.; Yao, S. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 6618. doi: 10.1021/am301767k(33) Feng, J.; Pang, Y. C.; Qin, Z. Q.; Ma, R. Y.; Yao, S. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 6618. doi: 10.1021/am301767k

    34. [34]

      (34) Rykaczewski, K. Langmuir 2012, 28, 7720. doi: 10.1021/la301618h(34) Rykaczewski, K. Langmuir 2012, 28, 7720. doi: 10.1021/la301618h

    35. [35]

      (35) Rykaczewski, K.; Landin, T.;Walker, M. L.; Scott, J. H.;Varanasi, K. K. ACS Nano 2012, 6, 9326. doi: 10.1021/nn304250e(35) Rykaczewski, K.; Landin, T.;Walker, M. L.; Scott, J. H.;Varanasi, K. K. ACS Nano 2012, 6, 9326. doi: 10.1021/nn304250e

    36. [36]

      (36) Cheng, J. T.; Vandadi, A.; Chen, C. L. Appl. Phys. Lett. 2012,101, 131909. doi: 10.1063/1.4756800(36) Cheng, J. T.; Vandadi, A.; Chen, C. L. Appl. Phys. Lett. 2012,101, 131909. doi: 10.1063/1.4756800

    37. [37]

      (37) Anand, S.; Paxson, A. T.; Dhiman, R.; Smith, J. D.; Varanasi, K.K. ACS Nano 2012, 6, 10122. doi: 10.1021/nn303867y(37) Anand, S.; Paxson, A. T.; Dhiman, R.; Smith, J. D.; Varanasi, K.K. ACS Nano 2012, 6, 10122. doi: 10.1021/nn303867y

    38. [38]

      (38) Shin, B. S.; Lee, K. R.; Moon, M.W.; Kim, H. Y. Soft Matter2012, 8, 1817. doi: 10.1039/c1sm06867a(38) Shin, B. S.; Lee, K. R.; Moon, M.W.; Kim, H. Y. Soft Matter2012, 8, 1817. doi: 10.1039/c1sm06867a

    39. [39]

      (39) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Langmuir 2010, 26,14835. doi: 10.1021/la101845t(39) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Langmuir 2010, 26,14835. doi: 10.1021/la101845t

    40. [40]

      (40) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Acta Physico-Chimica Sinica 2010, 26, 2989. [刘天庆, 孙玮, 孙相彧, 艾宏儒.物理化学学报, 2010, 26, 2989.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101025(40) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Acta Physico-Chimica Sinica 2010, 26, 2989. [刘天庆, 孙玮, 孙相彧, 艾宏儒.物理化学学报, 2010, 26, 2989.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101025

    41. [41]

      (41) Rykaczewski, K.; Scott, J. H. J. ACS Nano 2011, 5, 5962.doi: 10.1021/nn201738n(41) Rykaczewski, K.; Scott, J. H. J. ACS Nano 2011, 5, 5962.doi: 10.1021/nn201738n

    42. [42]

      (42) Wang, F. C.; Yang, F. Q.; Zhao, Y. P. Appl. Phys. Lett. 2011, 98,053112. doi: 10.1063/1.3553782(42) Wang, F. C.; Yang, F. Q.; Zhao, Y. P. Appl. Phys. Lett. 2011, 98,053112. doi: 10.1063/1.3553782

    43. [43]

      (43) Harris, J.W.; Stocker, H. Handbook of Mathematics and Computational Science; Springer-Verlag: New York, 1998;p 107.(43) Harris, J.W.; Stocker, H. Handbook of Mathematics and Computational Science; Springer-Verlag: New York, 1998;p 107.

    44. [44]

      (44) Hsieh, C. T.;Wu, F. L.; Chen,W. Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113,13683. doi: 10.1021/jp9036952(44) Hsieh, C. T.;Wu, F. L.; Chen,W. Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113,13683. doi: 10.1021/jp9036952

    45. [45]

      (45) Iliev, S. D. J. Colloid Interface Sci. 1997, 194, 287.doi: 10.1006/jcis.1997.5110(45) Iliev, S. D. J. Colloid Interface Sci. 1997, 194, 287.doi: 10.1006/jcis.1997.5110

    46. [46]

      (46) Andrieu, C.; Sykes, C.; Brochard, F. Langmuir 1994, 10, 2077.doi: 10.1021/la00019a010(46) Andrieu, C.; Sykes, C.; Brochard, F. Langmuir 1994, 10, 2077.doi: 10.1021/la00019a010

    47. [47]

      (47) Dorrer, C.; Ruehe, J. Langmuir 2007, 23, 3820. doi: 10.1021/la063130f(47) Dorrer, C.; Ruehe, J. Langmuir 2007, 23, 3820. doi: 10.1021/la063130f

    48. [48]

      (48) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Colloid Surface A2012, 414, 366. doi: 10.1016/j.colsurfa.2012.08.063(48) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Colloid Surface A2012, 414, 366. doi: 10.1016/j.colsurfa.2012.08.063

    49. [49]

      (49) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Acta Physico-Chimica Sinica 2012, 28, 1206. [刘天庆, 孙玮, 孙相彧, 艾宏儒.物理化学学报, 2012, 28, 1206.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202293(49) Liu, T. Q.; Sun,W.; Sun, X. Y.; Ai, H. R. Acta Physico-Chimica Sinica 2012, 28, 1206. [刘天庆, 孙玮, 孙相彧, 艾宏儒.物理化学学报, 2012, 28, 1206.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202293

    50. [50]

      (50) Torresin, D.; Tiwari, M. K.; Del Col, D.; Poulikakos, D.Langmuir 2013, 29, 840. doi: 10.1021/la304389s

      (50) Torresin, D.; Tiwari, M. K.; Del Col, D.; Poulikakos, D.Langmuir 2013, 29, 840. doi: 10.1021/la304389s

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  796
  • 文章访问数:  1172
  • HTML全文浏览量:  7
文章相关
  • 发布日期:  2013-07-09
  • 收稿日期:  2013-04-23
  • 网络出版日期:  2013-06-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章