接触角与液固界面热阻关系的分子动力学模拟 - 物理学报.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 11 (2013) 110204 接触角与液固界面热阻关系的分子动力学模拟* 葛宋 陈民† ( 清华大学工程力学系, 北京 100084 ) ( 2012 年11 月9 日收到; 2013 年1 月30 日收到修改稿) 本文利用分子动力学方法模拟了液体在固体表面的接触角及液固界面热阻, 并探讨了二者之间的关系. 通过分 别改变液固结合强度和固体的原子性质来分析接触角和界面热阻的关系及变化趋势. 模拟结果显示增强液固间相 互作用时, 接触角减小的同时界面热阻也随之单调减小; 而改变固体原子间结合强度和原子质量时, 接触角几乎保 持不变, 但界面热阻显著改变. 固体原子间结合强度和原子质量影响界面热阻的原因是其改变了固体的振动频率分 布, 导致液固原子间的振动耦合程度发生变化. 本文的结果表明界面热阻不仅与由接触角所表征的液固结合强度有 关, 还与液固原子间的振动耦合程度有关. 接触角与界面热阻间不存在单值的对应关系, 不能单一地将接触角作为 液固界面热阻的评价标准. 关键词: 液固界面, 接触角, 界面热阻, 分子动力学模拟 PACS: 02.70.Ns, 68.08.−p, 68.08.Bc, 68.08.De DOI: 10.7498/aps.62.110204 润性的联系, 并试图建立起接触角和界面热阻的函 1 引言 数关系9−11 . Murad 和Puri9 推断亲水的表面将有 11 利于减小液固界面热阻. Shenogina 等 利用在水 在微纳机电系统中由于尺度的减小导致面体 和不同化学成分的固体表面构成的界面上的模拟 比显著增大, 界面效应往往变得不可忽略甚至可能 结果提出界面热导G (界面热阻的倒数) 与接触角 1 之间存在如下关系: G B 1 cos θ , 其中B 为比 成为主导因素 . 液固界面处的界面热阻及由此产 2 例系数, θ 为接触角, 但此关系式的适用性还有待进 生的界面温度跳跃是重要的界面现象 , 其对微纳 米系统中能量传递的影响可由热阻长度来判断. 热 一步验证. 本文利用分子动力学方法模拟了液体在 阻长度表征的是在液体内部形成与界面温度跳跃 固体表面的接触角及相同条件下的液固界面热阻, 3 探讨了两者之间的关系, 有助于加深对界面热阻产 相同的温度差所需的液体层厚度 . 实验和模拟 结果都表明在较疏水的液固界面, 热阻长度可达到 生机理的理解, 同时能为实际应用提供理论参考. 45 数十纳米 . 表面湿润性也是一种重要的界面性 质, 而静态接触角是衡量表面湿润性的主要物理量. 2 模拟方法与细节 相比于界面热阻, 目前对于表面湿润性和接触角的 研究更加充分. 一方面表征固体表面湿润性的接触 2.1 接触角的模拟方法 角在宏观实验中容易测量, 另一方面, 现有的材料 接触角的模拟系统如图 1 所示. 本文中所有粒 加工技术已能方便地制造出具有不同湿润性的表 面6−8 . 界面热阻和表面湿润性作为两种重要的界 子间的相互作用均采用 12-6 Lennard-Jon