Bridging the molecular and the continuous pictures of wetting dynamics on hydrophilic surfaces

QC 2024-05-23

Abstract

Termen ‘vätning' används i den akademiska världen när man hänvisar till affiniteten och dynamiken hos vätskefilmer, droppar eller menisker över fasta ytor. Vätningsprocesser kan observeras i vardagen: en vattendroppe som glider ner längs en glasruta, en oljedroppe som svävar över en non-stick-panna, en dryck menisk som färdas upp längs ett sugrör. Med tanke på den vardagliga förekomsten av vätning kan det överraska att upptäcka att det inte finns någon definitiv beskrivning av hur den uppstår till att börja med. Under de senaste 50 åren har det inom strömningsmekaniken tagits fram teoretiska modeller och experiment som syftar till att avmystifiera dynamiken hos kontaktlinjer, dvs. platser där vätske-, gas- och fasta faser möts. En viktig slutsats av detta arbete är att vätningsdynamik är till sin natur en flerskalig process, där flöde på alla skalor är betydelsefullt.

Möjligheten att undersöka fysiken hos kontaktlinjer begränsas av rumsupplösningen hos experiment. Under de senaste två årtiondena har ett nytt undersökningsverktyg tagits fram: direkta numeriska experiment, i form av molekylär dynamik-simuleringar. Dessa ‘virtuella linser' gör det möjligt för oss att inspektera vätningsprocesser med en tids- och rumsupplösning som är omöjlig att uppnå med experiment. Målet med denna avhandling är att använda molekylär dynamik-simuleringar för att förstå hur vätning på hydrofila kiseldioxid-liknande ytor kan modelleras med hjälp av kontinuerlig strömningsmekanik, och omvänt vilka effekter som uppstår till följd av den diskreta naturen hos den molekylära världen.

Molekylära simuleringar offrar beräkningsmässig effektivitet till förmån för  detaljrikedom och kan inte direkt återskapa vätningsprocesser som sker på mikrometerskala och uppåt. Tillförlitliga meso- och makroskopiska modeller som kan inkorporera effekterna av molekylär fysik är därför av stor vikt. Den första halvan av denna avhandling illustrerar processen att parametrisera Phase Field och Volume of Fluid metoder med information som tillhandahålls av molekylära simuleringar, samt en bedömning av deras fysiska validitet. Kontaktlinje-dynamik över hydrofila ytor där slip mellan fasta- och vätskefaser är försumbart representerar ett stresstest för kontinuerlig strömningsmekanik.

Den andra halvan av avhandlingen fokuserar på effekter på molekylär skala. Den lokala skiktningen och orienteringen av vattenmolekyler nära kiseldioxidytor påverkar rörligheten hos kontaktlinjer. Specifikt ger molekylär rörelse i de två ytnära vätskeskikten upphov till en friktionsasymmetri, där hydrofila ytor ger mindre motstånd mot en avancerande kontaktlinje än en kontaktlinje som drar tillbaka. Relationen mellan vätskeviskositet och friktion mellan fasta och vätskeytor studeras också. Det visas att noggranna korrelationer endast kan erhållas genom att beakta molekylär struktur vid gränsyta mellan vätska och vägg. Dessa resultat bekräftar synen på vätning som en inneboende gränssnittsprocess och behovet av att inkludera fysik på molekylär skala i dess beskrivning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346683