Гидродинамические и электрокинетические течения вблизи супергидрофобных поверхностей (1102772)
Текст из файла
На правах рукописиБеляев Алексей ВячеславовичГидродинамические и электрокинетическиетечения вблизи супергидрофобных поверхностей01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2012Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,Виноградова Ольга ИгоревнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Соболев Владимир Дмитриевич,доктор физико-математических наук,Демёхин Евгений АфанасьевичВедущая организация:Институтхимическойим.Н.Н.СеменоваРоссийскойфизикиакадемиинаук (ИХФ РАН)Защита состоится «24» октября 2012 г.
вчасов на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35,Центр коллективного пользования МГУ, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «21» сентября 2012 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретарядиссертационного совета.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наукТ.В.Лаптинская.2Общая характеристика работыАктуальность работы.
В последние годы большое внимание уделяется исследованию и изготовлению гидрофобных материалов с микро-/нано-рельефомповерхности. Такие материалы приобретают ряд уникальных свойств, среди которых повышенное водоотталкивание (супергидрофобность, СГФ) и способностьснижать гидродинамическое сопротивление течению жидкостей. Эти свойстваоказывают существенное влияние на динамику жидкостей в микроканалах, гдевязкая диссипация и межфазные явления играют существенную роль.
В частности, в каналах размером меньше 100 мкм затрудняется транспорт жидкостипод действием давления и подавляется конвективный механизм перемешивания.Стратегия решения указанных проблем состоит в использовании явления гидродинамического скольжения на искусственных микро-/нано-текстурированныхгидрофобных поверхностях. Это свойство можно описать количественно с помощью эффективной длины скольжения eff . Такая формализация даст возможностьрешить задачу рационального (оптимального) дизайна супергидрофобных микроканалов. Исследования указанных физических явлений позволят создать теоретическую основу для решения большого спектра инженерных задач, в том числепроектирования и изготовления устройств “лаборатория-на-чипе”.Актуальность темы исследования подтверждается поддержкой, оказанной работе приоритетной программой фундаментальных исследований ОХНМ РАН «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений» (проекты “Интеллигентный дизайн супергидрофобных полимерных поверхностей для микро- и нанофлюидики” и “Насосы и миксеры для микрофлюидики на основе электроосмотических течений вблизи полимерных супергидрофобных текстур”, руководитель – д.ф.-м.н.
О.И. Виноградова); стипендией LG ChemScholarship 2010; стипендией Правительства Российской Федерации (приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 19 октября 2011 г.№ 2483); Премией имени А. Н. Фрумкина (2011 г.); грантом фонда некоммерческих3программ “Династия” в рамках программы поддержки аспирантов и молодых ученых без степени (2012 г.).Цель диссертационной работы состоит в изучении гидродинамических иэлектрокинетических явлений на супергидрофобных поверхностях. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:1. Математическая формализация эффективного скольжения на анизотропной супергидрофобной поверхности с геометрией периодических полос (бороздок)в канале произвольной ширины при условии неидеального скольжения на газовыхучастках.2. Оптимизация анизотропного скольжения на супергидрофобной поверхности.3.
Математическая формализация гидродинамического взаимодействия гидрофильной поверхности и супергидрофобной плоскости при их сближении.4. Математическое описание электроосмотического скольжения раствора электролита вблизи анизотропной супергидрофобной плоскости с произвольной локальной длиной скольжения и неоднородным зарядом поверхности при произвольной толщине экранирующего (дебаевского) слоя.5. Оптимизация параметров супергидрофобной поверхности для усиления поперечного потока жидкости при анизотропном электроосмотическом течении.Научная новизна.1. Найдены аналитические выражения эффективной длины скольжения дляанизотропной супергидрофобной полосатой (страйп) текстуры в состоянии Кассис условием неидеального скольжения на газовых участках в пределе широкогопо сравнению с периодом текстуры канала.
Доказано, что эффективная длинаскольжения существенно зависит от ширины канала в случае, если последняя сопоставима по величине или мала по сравнению с периодом текстуры. Установленызакономерности перехода от анизотропного эффективного скольжения к изотропному.42. Создана теория гидродинамического взаимодействия гидрофильных поверхностей с супергидрофобными поверхностями, которая, в частности, можетбыть использована для анализа данных АСМ экспериментов по измерению эффективного скольжения и других многочисленных приложений.3. Установлены и математически формализованы зависимости электрокинетических коэффициентов переноса и физических параметров анизотропных гетерогенных поверхностей.Практическая значимость. Результаты, изложенные в диссертации, создают теоретическую основу для решения большого спектра инженерных задач,могут быть использованы для рационального дизайна супергидрофобных поверхностей для усиления подвижности и перемешивания жидкостей в устройствах“лаборатория-на-чипе”, а также при натурных исследованиях динамики и кинетики жидкости в микроканалах различной физической природы, и позволят управлять электрокинетическими процессами от прямого прокачивания жидкости, доразделения на фракции и перемешивания.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1.
Аналитические выражения эффективной длины скольжения для анизотропной супергидрофобной страйп-текстуры в состоянии Касси и установленныезакономерности перехода от анизотропного эффективного скольжения к изотропному.2. Теория гидродинамического взаимодействия с супергидрофобными поверхностями.3. Аналитические зависимости электроосмотической подвижности от физических параметров анизотропной супергидрофобной страйп-текстуры.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались наследующих конференциях:1. Московская конференция-конкурс молодых ученых, аспирантов и студен5тов “Физикохимия-2009” (Москва, 2009);2.
DFG Priority Program SPP 1164 Nano-& Microfluidics Concluding Conference(Norderney, Germany, 2010);3. III International nanotechnology forum RUSNANOTECH 2010 (Moscow, 2010);4. Физикохимия: V Конференция молодых ученых, аспирантов и студентовИФХЭ им. А.Н.
Фрумкина РАН (Москва, 2010);5. XVII Зимняя Школа по механике сплошных сред, ИМСС УрО РАН(Пермь, 2011);6. Конференция молодых ученых «Ломоносов-2011» (Москва, 2011);7. IV International nanotechnology forum RUSNANOTECH 2011 (Moscow, 2011);8. VI конференция молодых ученых ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН,“ФИЗИКОХИМИЯ-2011” (Москва, 2011),а также на 35-x Фрумкинских чтениях по электрохимии «Электрохимическое наноструктурирование» (Химический факультет МГУ им.
М.В.Ломоносова,Москва, 2011) и семинаре лаборатории Механики многофазных сред ИнститутаМеханики МГУ (Москва, 2010).Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ [1-6], и 8 тезисовдокладов.Личный вклад автора. Постановка задач и результаты исследований обсуждались с научным руководителем диссертационной работы.
Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Все основные результаты работы получены лично диссертантом и являются определяющими.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и трех приложений. Общийобъем диссертации 125 страниц, включая 11 страниц приложений.
Работа содержит 25 рисунков. Библиография включает 120 наименований на 14 страницах.6Содержание диссертацииВведение. Обоснованы актуальность темы диссертации, научная новизна,практическая значимость, приведено краткое содержание работы по главам.Первая глава содержит библиографический обзор по теме диссертации,проведено обоснование выбора объектов, целей, задач и методов исследования.В главе проанализированы известные современные представления о гидродинамических и электрокинетических эффектах вблизи супергидрофобных поверхностей, представлена классификация граничных условий скольжения; рассмотрены подходы к математическому описанию и мезоскопическому компьютерномумоделированию указанных явлений.
В главе также освещены современные методы экспериментальных исследований гидродинамического и электрокинетического скольжения жидкости. В библиографическом обзоре по теме диссертациипроцитированы 120 научных работ.В завершающей части главы сформулированы основные выводы, следующиеиз анализа литературы; они заключаются в следующем:1. Ряд уникальных свойств супергидрофобных поверхностей вызывает необходимость их дальнейшего исследования.2. Влияние неидеальности скольжения на газовых участках на значения эффективной длины скольжения и электроосмотической подвижности жидкостивблизи супергидрофобных текстур ранее не исследовалось и требует углубленного теоретического рассмотрения.3.
Использование континуальных моделей конденсированных сред в комбинации с концепцией эффективных граничных условий скольжения и теорией явлений переноса в гетерогенных средах представляет собой удобный аппарат длятеоретического исследования указанных явлений.4. Для компьютерного моделирования рассматриваемых явлений метод решеточного уравнения Больцмана обладает рядом преимуществ, включая сравнительно высокую скорость и точность расчетов.7Вторая глава диссертации посвящена исследованию эффективного скольжения на анизотропных супергидрофобных поверхностях.
Особое внимание уделено изучению влияния вязкой диссипации на границе раздела жидкость-газ наскорость и анизотропию эффективного скольжения жидкости вблизи текстуры сзаданной геометрией. Удобной модельной системой является заполненный жидкостью плоскопараллельный канал, одна из стенок которого является анизотропной cупергидрофобной поверхностью (Рис.1) с текстурой в виде параллельныхпериодических бороздок (“страйп”-текстура) в состоянии Касси. Верхняя границаканала предполагалась однородной и гладкой, без скольжения. Рассматриваетсядинамика жидкой фазы под действием приложенного градиента давления (направленным вдоль оси ), которая в рамках континуальной модели описываетсяуравнениями Стокса:∇2 u = ∇,∇ · u = 0,(1)где u – вектор скорости, –вязкость, а – давление. Локальная неоднородностьмежфазной границы проявляется в гетерогенном локальном скольжении жидкости, которое моделируется локальным граничным условием Навье:=0:u = (, ) · (u /) ,(2)где u – касательная к границе раздела фаз компонента скорости жидкости, а локальная длина скольжения (, ) – периодическая кусочно-постоянная функциякоординат.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
