固-液界面作用势能函数的获取方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种固‑液界面作用势能函数的获取方法及系统，其中，方法包括：将液滴分别放置于预设单原子层固体和不同厚度的相同固体材料表面上，以分别获取第一接触角和第二接触角；基于Young‑Durpe方程，根据第一接触角和第二接触角分别得到液滴与预设单原子层固体和另一厚度的相同固体材料的单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值；根据单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值分别反推得到固‑液界面范德瓦尔斯作用势能函数表达式中的引力系数和斥力系数，从而得到固‑液界面作用势能函数。该方法可以从实验测量固‑液界面接触角出发，从而能够准确地确定固‑液界面作用势能函数，实施方法简单、应用范围广。

Method and system for acquiring solid liquid interface interaction potential energy function

The invention discloses a method and a system, to obtain a solid liquid interface function potential function, methods: the same solid material surface the droplets were placed in a single atomic layer of solid and preset different thickness, respectively, to obtain the first contact and the second contact angle; Young based on Durpe equation, according to the first contact angle and contact angle were obtained second droplets per unit area of the same with the preset solid material solid and a single atomic layer thickness of the first interface and the second interface potential values of potential values; according to the unit area of the first and second interface interface potential values respectively established by potential energy functionals solid liquid interface Van Der Waals potential function the expression of the gravity coefficient and repulsion coefficient, so as to obtain the liquid solid interface interaction potential function. This method can start from the experimental measurement of solid liquid interface contact angle, which can determine solid liquid interface interaction energy function accurately, the implementation method is simple, wide application range.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物理、化学和能源技术等领域，特别涉及一种固-液界面作用势能函数的获取方法及系统。
技术介绍
液体与固体表面接触时，会出现润湿、反润湿、反弹、断裂和融合等现象，本质上就是固体表面润湿性和液滴形态演变之间的问题。一方面，润湿在生活中随处可见，与人们的日常生活息息相关，如洗涤清洁、防水防污衣物、防雪门窗等。此外，固体表面的润湿性是决定表面沸腾和凝结性能的重要参数，这在国防、航空航天、能源工程等领域都有着重要作用。在材料领域，润湿性也有着非常广泛的应用，例如铸造、除渣工艺、复合材料的制备等。另一方面，液滴的断裂和融合在纳米科技和生物医学等领域也有着广阔的应用前景，清华大学医学院刘静团队利用金属液的搭桥现象实现了蛙神经的修复和连接。因此，预测固体表面润湿性及液滴形态演变有着重要的意义，理论上，通常利用分子动力学模拟去探索固-液界面的性质，而固-液界面分子(或原子)间相互作用势的准确性对计算结果影响很大。但是，界面原子之间的相互作用势的研究一直发展非常缓慢，这在一定程度上制约了分子动力学在实际研究中的应用。Lennard-Jones势函数一般用于单原子体系的计算，它主要由与原子距离倒数的n(现在广泛使用n＝12)次方成比例的排斥力和配对原子感应的瞬间偶极子所产生的力组成，其一般表达形式为具体可写为其中εij为能量参数，σij为距离参数。对于不同原子种类组成的混合体系，相关技术中Lorentz-Berthelot法则，理论上给出了不同原子种类组成的混合体系原子间相互作用势的距离和能量参数，即σij＝(σii+σjj)/2和但是Lorentz-Berthelot法则只是对于硬球系统，近年来已发现在很多混合体系是不成立的，可见其具有一定的局限性。实验方面，在相关技术中通过吸附在石墨上的氧原子的低吸附等温线的实验数据获得了碳-氧原子的Lennard-Jones势函数参数，但其操作过程复杂，不具有一般性。综上所述，相关技术中的理论和实验研究并不能准确地给出不同原子种类组成的混合体系原子势函数的具体表达式，所以固-液界面作用势能函数的选取必然存在着很大的问题，目前尚未有研究者提出一个可以准确确定固-液界面作用势能函数的简单易行的方法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种固-液界面作用势能函数的获取方法，该方法可以从实验测量固-液界面接触角出发，从而能够准确地确定固-液界面作用势能函数。本专利技术的另一个目的在于提出一种固-液界面作用势能函数的获取系统。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种固-液界面作用势能函数的获取方法，包括以下步骤：将液滴分别放置于预设单原子层固体和不同厚度的相同固体材料表面上，以分别获取第一接触角和第二接触角；基于Young-Durpe方程，根据所述第一接触角和第二接触角分别得到所述液滴与所述预设单原子层固体和另一厚度的相同固体材料的单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值；根据所述单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值分别反推得到固-液界面范德瓦尔斯作用势能函数表达式中的引力系数和斥力系数，从而得到固-液界面作用势能函数。本专利技术实施例的固-液界面作用势能函数的获取方法，通过实验测量得到的液滴在固体表面的接触角获得固-液界面单位面积作用势能值，其等于固体原子和液体原子间单位面积的范德瓦尔斯作用势，由此反推出固-液界面作用势能函数的引力和斥力系数，从而能够准确确定固-液界面作用势能函数，所述方法适用于任何固-液界面作用势能函数的确定，为准确预测固体表面润湿性及液滴形态演变提供了可靠的基础，具有准确度高、方法简单、应用范围广等优点。另外，根据本专利技术上述实施例的固-液界面作用势能函数的获取方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，根据单位面积第一界面作用势能公式和第二界面作用势能公式获取所述引力系数和斥力系数，其中，所述单位面积第一界面作用势能公式为：所述单位面积第二界面作用势能公式为：其中，Φ1L为所述单位面积第一界面作用势能，ΦNL为所述单位面积第二界面作用势能，BCL为所述斥力系数，ACL为所述引力系数，σ为固体原子的表面密度，ρ为所述液滴的数密度，d1为所述液滴与单原子层固体处于平衡态接触时的距离，N为原子层数，d0为所述固体材料内原子层与层之间的间距，d2为所述液滴与所述固体材料处于平衡态接触时的距离。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述Young-Durpe方程为：-Φ＝γL(1+cosθ)，其中，Φ为固-液界面单位面积作用势能，θ为接触角，γL为液体的表面张力。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述另一厚度的相同固体材料的原子层数大于且等于6。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，通过角度测量法、长度测量法、力测量法和投射测量法得到所述第一接触角和第二接触角。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种固-液界面作用势能函数的获取系统，包括：接触角获取模块，用于将液滴分别放置于预设单原子层固体和不同厚度的相同固体材料表面上，以分别获取第一接触角和第二接触角；势能获取模块，基于Young-Durpe方程，根据所述第一接触角和第二接触角分别得到所述液滴分别与所述预设单原子层固体和另一厚度的相同固体材料的单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值；函数获取模块，用于根据所述单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值分别反推得到固-液界面范德瓦尔斯作用势能函数表达式中的引力系数和斥力系数，从而得到固-液界面作用势能函数。本专利技术实施例的固-液界面作用势能函数的获取系统，通过实验测量得到的液滴在固体表面的接触角获得固-液界面单位面积作用势能值，其等于固体原子和液体原子间单位面积的范德瓦尔斯作用势，由此反推出固-液界面作用势能函数的引力和斥力系数，从而能够准确确定固-液界面作用势能函数，适用于任何固-液界面作用势能函数的确定，为准确预测固体表面润湿性及液滴形态演变提供了可靠的基础，具有准确度高、方法简单、应用范围广等优点。另外，根据本专利技术上述实施例的固-液界面作用势能函数的获取系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述函数获取模块还用于根据单位面积第一界面作用势能公式和第二界面作用势能公式获取所述引力系数和斥力系数，其中，所述单位面积第一界面作用势能公式为：所述单位面积第二界面作用势能公式为：其中，Φ1L为所述单位面积第一界面作用势能，ΦNL为所述单位面积第二界面作用势能，BCL为所述斥力系数，ACL为所述引力系数，σ为固体原子的表面密度，ρ为所述液滴的数密度，d1为所述液滴与单原子层固体处于平衡态接触时的距离，N为原子层数，d0为所述固体材料内原子层与层之间的间距，d2为所述液滴与所述固体材料处于平衡态接触时的距离。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述Young-Durpe方程为：-Φ＝γL(1+cosθ)，其中，Φ为固-液界面单位面积作用势能，θ为接触角，γL为液体的表面张力。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述另一厚度的相同固体材料的原子层数大于且等于6。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述接触角获取模块具体用于通过角度测量法、长度测量法、力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固‑液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：将液滴分别放置于预设单原子层固体和不同厚度的相同固体材料表面上，以分别获取第一接触角和第二接触角；基于Young‑Durpe方程，根据所述第一接触角和第二接触角分别得到所述液滴与所述预设单原子层固体和另一厚度的相同固体材料的单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值；以及根据所述单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值分别反推得到固‑液界面范德瓦尔斯作用势能函数表达式中的引力系数和斥力系数，从而得到固‑液界面作用势能函数。

【技术特征摘要】
1.一种固-液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：将液滴分别放置于预设单原子层固体和不同厚度的相同固体材料表面上，以分别获取第一接触角和第二接触角；基于Young-Durpe方程，根据所述第一接触角和第二接触角分别得到所述液滴与所述预设单原子层固体和另一厚度的相同固体材料的单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值；以及根据所述单位面积第一界面势能函值和第二界面势能函值分别反推得到固-液界面范德瓦尔斯作用势能函数表达式中的引力系数和斥力系数，从而得到固-液界面作用势能函数。2.根据权利要求1中所述的固-液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，根据单位面积第一界面作用势能公式和第二界面作用势能公式获取所述引力系数和斥力系数，其中，所述单位面积第一界面作用势能公式为：Φ1L=ρπσ[BCL/(45d19)-ACL/(6d13)],]]>所述单位面积第二界面作用势能公式为：ΦNL=ρπσ[BCL/(45d29)-Σi=1NACL/(6(d2+(N-1)d0)3)],]]>其中，Φ1L为所述单位面积第一界面作用势能，ΦNL为所述单位面积第二界面作用势能，BCL为所述斥力系数，ACL为所述引力系数，σ为固体原子的表面密度，ρ为所述液滴的数密度，d1为所述液滴与单原子层固体处于平衡态接触时的距离，N为原子层数，d0为所述固体材料内原子层与层之间的间距，d2为所述液滴与所述固体材料处于平衡态接触时的距离。3.根据权利要求1中所述固-液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，所述Young-Durpe方程为：-Φ＝γL(1+cosθ)，其中，Φ为固-液界面单位面积作用势能，θ为接触角，γL为液体的表面张力。4.根据权利要求1中所述固-液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，所述另一厚度的固体材料的原子层数大于且等于6。5.根据权利要求1中所述固-液界面作用势能函数的获取方法，其特征在于，通过角度测量法、长度测量法、力测量法和投射测量法得到所述第一接触角和第二接触角。6.一种固-液界面作用势能函数的获取系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，苏瑞霞，王海东，
申请(专利权)人：清华大学，北京纳源丰科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11