Гидродинамические и электрокинетические течения вблизи супергидрофобных поверхностей (1102772), страница 3
Текст из файла (страница 3)
(б) Текстуры ХашинаШтрикмана (вверху) и Шульгассера (внизу).14zFHRUhyxbeffbeff(а)(б)Рис. 6. (а) Схематическое изображение гидрофильной сферы, движущейся навстречу супергидрофобной страйп-текстуре. (б) Поправка на супергидрофобное скольжение к силе сопротивления, действующей на сферу, в зависимости от доли газовых участков на супергидрофобнойстрайп-текстуре. Локальная длина скольжения на газовых участках / = 10. Снизу вверхкривые с символами соответствуют расстояниям ℎ/ = 0.01, 0.1, 1 и 10.
Сплошная линиябез символов соответствует результатам, полученным в пределе ℎ ≪ min{, }.справедливой для любой геометрии текстуры. При малых расстояниях междуповерхностями (ℎ ≫ min{, }) величина поправки * для текстуры полос стремится к предельному значению* =2 (4 − 32 ),8 + 92 − 922(9)что совпадает с аналогичным выражением для диска. Как видно, эта величиназависит только от 2 – доли скользких участков текстуры. Зависимость * от 2для произвольных расстояний между сферой и супергидрофобной страйп-текстурой показана на Рис.6(б).
Верхняя и нижняя кривые соответствуют асимптотам(8) и (9). Заметим, что при больших расстояниях между поверхностями (ℎ/ > 1)существенное уменьшение силы гидродинамического взаимодействия достигаетсялишь при 2 > 0.9. Результаты третьей главы опубликованы в работах [4, 5].В четвертой главе диссертации рассматривается электроосмотическое (ЭО)течение, возникающее вблизи анизотропной супергидрофобной поверхности с неоднородным зарядом под действием постоянного электрического поля.(Рис.7) Изучено влияние параметров текстуры на скорость и направление течения жидкости,15yZUEtxЖидкостьzEtQГазdТвердое телоUXLРис.
7. (Слева) Схема электроосмоса на супергидрофобной поверхности. (Справа) Иллюстрация анизотропного электроосмотического течения: Θ = /2 соответствует течению поперек полос, а Θ = 0 – течению вдоль полос.исследована возможность возникновения электроконвективных структур вследствие неоднородности межфазной границы. Расчет тензора электроосмотическойподвижности (скорости жидкости за пределами двойного электрического слоя,отнесенной к напряженности приложенного поля) производится в рамках линеаризованной теории самосогласованного поля.
В качестве модельной системы рассматривается периодическая супергидрофобная страйп-текстура в контакте с раствором симметричного (1:1) электролита. При этом соотношения между периодомтекстуры , локальной длиной скольжения и длиной Дебая , в общем случае,произвольны. Скорость жидкости находится из уравнений Стокса с добавочнойэлектростатической силой в правой части. Локальная длина скольжения (, )и плотность электрического заряда поверхности (, ) задаются кусочно-постоянными функциями.
Рассматриваются нанотекстуры ( < 1 мкм), для которых = / ≪ 1 при значении коэффициента диффузии ионов = 10−6 см2 /c,и, следовательно, влияние концентрационной поляризации незначительно.В предельных случаях большого и малого радиуса Дебая по сравнению спериодом текстуры удалось установить линейную связь тензора ЭО подвижностии тензора эффективной длины скольжения страйп-текстуры, которая выражаетсяформулами:M=⟨⟩(I + beff ) ,16 ≫ .(10))︂]︂ (2)(1 + ) − 1 , ≪ (11) (1)Здесь — обратный радиус Дебая, (1) и (2) – поверхностная плотность элек[︂beffM = 1 · I +(︂трического заряда на нескользких и скользких участках соответственно,1 = (1) /() — величина ЭО подвижности жидкости для однородной гладкойплоскости без скольжения. Полученные выражения позволяют заключить, что вслучае, когда радиус Дебая много больше периода текстуры, скорость электроосмоса определяется путем усреднения локальных свойств поверхности на масштабе неоднородности.
При этом эффект усиления течения за счет проскальзыванияоказывается сравнительно небольшим. Если же радиус Дебая мал по сравнениюс периодом текстуры, скорость электроосмоса в меньшей степени определяетсясредним зарядом текстуры, но существенно зависит от его распределения, т.е. отсоотношения плотностей заряда на гидрофильных (нескользких) и гидрофобных(скользких) участках поверхности.
В частности, возможна существенная скоростьэлектроосмоса для электронейтральной (в среднем, ⟨⟩ = 0) текстуры.Установлено, что скорость электроосмоса может быть увеличена на порядоквеличины (более, чем в 10 раз) за счет СГФ скольжения, если скользкие участкиповерхности заряжены, а период текстуры много больше радиуса Дебая ( ≫ 1),Рис. 8(а). Показано, что в случае незаряженных скользких участков поверхности( (2) = 0) при условии частичного (0 < < ∞) скольжения течение не только неусиливается по сравнению с однородной гладкой поверхностью, но замедляется,при этом проявляя некоторую (сравнительно слабую) анизотропию.Как видно из рис.
8(б), параметры СГФ текстуры позволяют варьировать нетолько величину скорости электроосмоса, но и направление течения. В случае разноименных зарядов (1) и (2) небольшого изменения фракции скользких участковдостаточно для того, чтобы изменить направление течения на противоположное.Как видно из представленных результатов, контроль локальной длины скольжения позволяет в широких пределах варьировать скорость и анизотропию электроосмоса вблизи супергидрофобной поверхности.17M/M1M/M1(а )(б)b/Lf2Рис. 8. Собственные значения тензора электроосмотической подвижности, ‖,⊥ /1 , в зависимости от (а) локальной длины скольжения / ( (2) = (1) ; 2 = 0.45, = 103 ) и (б)доли скользких участков на поверхности(/ = 0.1, (2) = − (1) , = 102 ).
Сплошные кривыесоответствуют ‖ , а пунктирные кривые ⊥ .Как показали исследования, вблизи неоднородно заряженных поверхностей(в том числе, супергидрофобных) возможно появление стационарных конвективных “вихрей”, обусловленных столкновением встречных электрокинетических потоков. Их образование в рассматриваемой системе происходит, когда заряды (1) и (2) имеют противоположный знак, если ортогональная полосам компонента поля не равна нулю. Такие электроконвективные структуры весьма чувствительнык соотношению зарядов на скользких и нескользких участках, но также зависят отдлины скольжения .
Из Рис.9 видно, как меняется форма конвективных структур с увеличением /. Одновременно с этим направление течения за пределамидвойного электрического слоя изменяется на противоположное.В диссертации приведен анализ анизотропного электроосмотического течения с целью выработать стратегию оптимизации параметров страйп-текстуры дляполучения максимального отношения | / |. Система характеризуется максимальной анизотропией электроосмотической подвижности при ≫ 1.
Рис. 10 иллюстрирует зависимость | / | от угла Θ между направлением полос и векторомE . Отношение | / | может достигать максимума при определенном направлении приложенного электрического поля. Величина максимума зависит, главнымобразом, от распределения заряда (соотношения (1) и (2) ) и отношения локаль18y/L10.50-0.5-0.2500.250.5 -0.5-0.25x/L0x/L0.250.5 -0.5-0.2500.250.5x/LРис. 9.
Линии тока для ЭО течения, рассчитанного при 2 = 0.35, = 100, (2) / (1) =−0.5 и Θ = /2. Начало координат совпадает с центром скользкой полосы. Локальная длинаскольжения (слева направо) / = 0.05, 0.1 и 5.ной длины скольжения к периоду СГФ текстуры /. Также установлено, чтопри определенных соотношениях зарядов скользких и нескользких участков текстуры существуют направления внешнего поля Θ* , при которых течение вдольполя отсутствует, но отлична от нуля поперечная компонента скорости .Найдены оптимальные параметры текстуры, при которых поперечный электроосмотический поток максимален. Из проведенного анализа следует, что предпочтительным является ситуация, когда скользкие участки поверхности заряжены, а радиус Дебая мал по сравнению с периодом текстуры и локальной длинойскольжения .
Установлено, что для случая, когда заряды скользких и нескользких участков одного знака ( (2) / (1) > 0), теоретически максимально возможноеотклонение скорости электроосмоса от направления приложенного поля составля√ет max | / | = 2/4.Отмечено также, что при ⟨⟩ = 0 (т.е. когда средний заряд текстуры равен нулю) достигаемое значение | / | может оказаться больше, чем в случаеодноименно заряженных скользких и нескользких участков текстуры (рис.10).Таким образом, распределение заряда, оптимальное для генерации поперечногоЭО потока и оптимальное для увеличения скорости ЭО скольжения вдоль поля(в главных направлениях текстуры), в общем случае, не совпадают.
Результатычетвертой главы опубликованы в работе [6].19QQРис. 10. (Слева) Схема анизотропного ЭО течения в случае, когда двойной электрическийслой тонкий по сравнению с периодом текстуры . (Справа) Отношение скоростей поперечного и продольного (по отношению к E ) электроосмотического потока в зависимости отнаправления приложенного поля Θ Параметры страйп-текстуры: 2 = 0.8, / = 1; (1) = 0(сплошная), (2) = (1) (штриховая), ⟨⟩ = 0 (штрих-пунктирная кривая).Основные результаты и выводыВ диссертации представлены результаты теоретических исследований и компьютерного моделирования гидродинамических и электроосмотических явленийвблизи анизотропных супергидрофобных поверхностей. Основные результаты работы состоят в следующем:1.
Эффективная длина скольжения существенно зависит от ширины канала. Выведены аналитические выражения для главных значений тензора эффективной длины скольжения для супергидрофобной страйп-текстуры в состоянииКасси для случая, когда ширина канала велика по сравнению с периодом текстуры. Установлено, что с уменьшением локальной длины скольжения относительнопериода текстуры наблюдается переход от анизотропного эффективного скольжения к изотропному. Представленные результаты компьютерного моделированияметодом решеточного уравнения Больцмана подтверждают достоверность теоретических выводов.2. Создана теория гидродинамического взаимодействия с супергидрофобны20ми поверхностями, которая может быть использована для анализа данных АСМэкспериментов по измерению эффективного скольжения и других многочисленных приложений.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
