气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

固液界面热阻的温度依赖特性模拟研究

基于非平衡态分子动力学模拟方法,研究了系统温度及固液结合强度对固液界面传热的影响规律。模拟结果表明,固液界面热阻随着系统温度的升高而降低,并且亲水性界面的界面热阻温度依赖性较弱。基于微观热流密度计算式的分析表明,随着系统温度升高,动能项和维里项的贡献均逐渐增大,因而固液界面传热增强,但是动能项占比逐渐增大,维里项占比逐渐降低;随着固液结合强度逐渐增大,界面吸附效应增强,维里项贡献明显增大,这是较强的固液相互作用能够强化界面传热的主要原因。

方柱微结构内气液界面振荡特性数值研究

重力突然下降引起的气液界面振荡和重构对空间流体管理具有重要影响.考虑到贮箱壁面润湿特性在该问题中的重要作用,借鉴传热强化领域方柱微结构表面设计思想,提出一种利用方柱微结构壁面对液体振荡的衰减作用实现空间贮箱被动防晃的方法.采用流体体积法(VOF)对一种方柱微结构形成的异形基本单元内气液界面振荡特性进行数值模拟,分析自由液面随时间的变化特征,并讨论系统振荡频率、阻尼特性等与能量耗散特性密切相关的参数变化规律.研究发现,初始液位主要影响液面振幅,振幅随着初始液位高度的减小而增大,但是液位过低时振荡过程会出现液面触底而加剧耗散;接触角对振幅和阻尼比都有影响,接触角增大,振幅和阻尼比均有所减小.

TiC/Ni固液界面异质形核行为的第一性原理分子动力学模拟

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论,针对四种TiC/Ni固液界面,从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析,进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。结果表明:TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出Ni的预形核层(Pre-nucleation layer,PNL),且界面PNL的层间及面内有序度排序均为:[Ti]-TiC(111)/Ni>[C]-TiC(111)/Ni>TiC(100)/Ni。[Ti]-TiC(111)与PNL的Ni原子之间的强相互作用及化学键合使得其诱导出的PNL有序度最高。而TiC(110)基底无法诱导液体Ni原子形成预形核层,相较于上述三种基底,其促进Ni原子形核的能力最弱。在降温过程中,液相中剩余的Ni原子通过在TiC(100)、[Ti]-TiC(111)及[C]-TiC(111)基底诱导出的PNL作为过渡层的基础上,随温度的降低在PNL外侧聚集成簇,形成稳定的晶核。

外电场作用下纳米结构表面的固-液界面传热特性

在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法.但是,当固-液界面相互作用较弱时,由于纳米结构并不能被液体浸润,纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热,而外电场的施加则可以解决这一问题.本文基于分子动力学模拟的方法,研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性.通过在2块平行金属板布置数量相同的正负电荷,产生垂直于板面的均匀电场,并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构.结果表明:在外电场作用下,纳米结构处会产生电润湿现象,固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态,界面处的Kapitza热阻长度明显减小,因而热流密度显著增大;当电荷量增至发生电冻结的临界值,液态水会产生电冻结现象,其热导率骤增至1.2 W/(m·K),热流密度也随之发生骤增;继续增加电场强度,由于电冻结现象的发生,固-液界面热阻则基本保持不变.

粗糙金属电极的原位电化学拉曼光谱法在固-液界面分析中的进展

原位电化学拉曼光谱利用入射光诱导物质分子的散射现象,通过测定拉曼光谱信号与电极电位或电流强度的变化关系,来表征电极表面(界面)的分子微观结构。该技术能够获取电化学界面上的分子振动信息以及与化学反应相关的结构信息,并进行实时监测,因此在物质界面表征领域得到了广泛应用。本文从原位电化学拉曼光谱的原理出发,综合叙述了基于粗糙金属电极的原位电化学拉曼光谱在固-液界面分析的进展,包括分子吸附、析氧反应、析氢反应和氧还原反应;同时,探讨了界面结构、反应过程以及催化中间体与拉曼信号强度的关系,介绍了催化过程反应机理和催化物质的催化机理,最后,对下一阶段原位电化学拉曼光谱法在固-液界面分析中存在的科学问题进行展望。

气-液界面染毒系统中不同暴露流量对汽油发动机尾气致肺细胞氧化应激相关蛋白表达的影响

目的采用气-液界面(air-liquid interface,ALI)培养和暴露系统,探索二轮摩托车来源的汽油发动机尾气(gasoline engine exhaust,GEE)对人肺细胞氧化应激相关蛋白表达的影响。方法实验分为空白对照组、洁净空气组、GEE组。除了空白对照组,其余各组采用气-液界面体外染毒技术,分别在暴露流量为10、15和25 mL/min,37℃水浴条件下,对生长在气-液界面插件多孔膜上的人支气管上皮细胞BEAS-2B和人肺癌A549细胞持续暴露60 min。利用Cell Counting Kit-8(CCK-8)法评价细胞相对存活率。采用2′,7′-二氯荧光黄双乙酸盐(2′,7′-dichloro-dihydro-fluoresceindiacetate,DCFH-DA)探针检测细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平。Annexin V-FITC细胞凋亡检测试剂盒检测GEE对BEAS-2B和A549细胞凋亡及坏死率的影响。蛋白质免疫印迹法检测全细胞裂解物中核因子红细胞2相关因子2(nuclear factor erythroid-2-related factor 2,Nrf2)和血红素氧合酶1(heme oxygenase-1,HO-1)蛋白表达水平。结果在10、15和25 mL/min三种暴露流量下,随着暴露流量增大,GEE暴露组的2种细胞相对存活率逐渐降低、胞内ROS生成量和细胞凋亡率逐渐升高,且与洁净空气组相比,存在统计学上的显著性差异(P<0.05)。BEAS-2B和A549细胞相对存活率、胞内活性氧水平、早期凋亡率、晚期凋亡及坏死率和总凋亡率在GEE暴露和暴露流量上存在主效应,且GEE暴露与暴露流量存在交互效应(P<0.01)。在GEE暴露组,BEAS-2B细胞Nrf2和HO-1蛋白表达下降,A549细胞Nrf2和HO-1蛋白表达水平升高。BEAS-2B细胞Nrf2蛋白表达仅在暴露流量主效应上差异有统计学意义(P<0.01)。BEAS-2B细胞HO-1蛋白表达仅在GEE主效应上差异有统计学意义(P<0.01)。A549细胞Nrf2蛋白表达在GEE主效应、暴露流量主效应和交互效应上差异均有统计学意义(P<0.05)。A549细胞HO-1蛋白表达则在GEE主效应、暴露流量主效应和交互效应上差异均无统计学意义(P>0.05)。结论GEE对肺细胞具有较强的急性毒性作用;GEE诱导的细胞存活率、胞内活性氧生成和细胞凋亡率的改变受暴露流量的显著影响。暴露流量对GEE诱导的BEAS-2B和A549细胞Nrf2蛋白表达的影响显著,而对HO-1蛋白表达影响不显著。

异质固液界面中多界面态的原子模拟研究

在晶界和固体表面系统中,针对界面“complexion”(或界面相、界面态)转变及其调控相关的研究,近年来呈现出持续增长的关注趋势.与此同时,这些界面相之间的转变问题,在异质固液界面体系中尚未得到足够的关注.使用分子动力学模拟方法预言了处于Pb熔点温度之上,Cu(111)/Pb(L)固液界面体系中存在的多界面相共存的界面状态;观察到4种单原子层的界面状态,即2种界面CuPb层状合金液相以及2种界面预凝固的Pb层状固相,共存于固体Cu和液体Pb之间的双原子界面层内;通过计算界面相在面内共存的各种性质空间分布,模拟出了该体系多界面相共存的力学、热力学和动力学性质的不均匀性和面内各向异性;计算获得的界面态热力学与动力学性质数值显著区别于固相Cu和液相Pb的相应性质.另外,测量得到的Cu(111)/Pb(L)固液界面态共存的“相平衡”条件具有共晶二元合金相图特征,而不是CuPb合金的偏晶相图.故所报道的数据有望为调节异质形核和润湿过程提供新的理论思路.

乳液界面法制备ZnCl_(2)/NH_(2)-MIL-125(Ti)复合材料增强光催化还原Cr(Ⅵ)的研究

利用乳液界面法制备的复合材料在增强光催化活性方面具有显著优势。通过乳液界面法制备了ZnCl_(2)/NH_(2)-MIL-125(Ti)复合光催化材料,利用X射线粉末衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、比表面积及孔隙分析、紫外-可见漫反射光谱等分析方法对催化剂结构进行了表征,考察了复合材料光催化还原六价铬(Cr(Ⅵ))的性能,探讨了光催化反应机理及催化剂的重复利用性。结果表明,乳液界面法会显著影响ZnCl_(2)/NH_(2)-MIL-125(Ti)复合材料的光电性质,当ZnCl_(2)和NH_(2)-MIL-125(Ti)掺杂质量比为1∶6时,在催化剂质量浓度为0.4 g/L、pH=2、甲醇添加量为0.5 mL条件下,复合材料紫外光催化还原Cr(Ⅵ)的效率最高可达95%,循环使用5次后还原效率为75%。

基于原位液相飞行时间二次离子质谱的电化学固液界面研究

电化学界面是能源转换与存储、生物化学、传感器和腐蚀等领域的核心,研究电化学界面结构与性能的关系一直是电化学和化学测量学的热点与难点。本文重点介绍了基于高真空兼容微流控装置的原位液相飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)技术的原理、特性,及其在电化学固液界面实时、原位探测方面的研究进展。随着微流控装置的进一步创新以及ToF-SIMS仪器的不断发展,原位液相ToF-SIMS将为电催化、电池等领域的复杂电化学固液界面研究提供重要手段。

基于背景纹影的气液界面行为特性可视化

气密封技术是维持浸没流场稳定性的主要机制。气体射流冲击晶圆表面,防止浸没液体泄漏造成套刻误差和曝光缺陷。因此,浸没流场和密封气体的相互作用、气-液界面的行为特性亟需研究。采用背景纹影技术观测气体射流,介绍了该可视化技术的测量原理和硬件搭建。通过光路设计实现气-液、内-外流场同步观测,以及界面行为特性研究。对背景纹影技术等非接触式测量技术在超洁净流控中的应用提供指导。

泰兴市非饱和带与饱和带间固液界面传质模型的推导

非饱和带与饱和带紧密相联,建立两者交界处的固液界面传质模型,可以为非饱和带耦合饱和带模型提供一定理论基础,对更好地预测地下水污染趋势也非常有意义。文章以江苏省泰兴市为研究对象,将吸附与解吸、颗粒薄膜扩散、分配作用、稀释作用4种固液界面反应和非饱和带、饱和带的特性结合,推导出将非饱和带与饱和带联系在一起的固液界面传质模型。使用Matlab模拟模型参数改变时,地下水中污染物浓度的变化。结果表明,该模型是可行的,但是污染场地、污染物种类可能会对模型模拟结果造成影响。

表面活性剂在气液界面层性质的DFT理论研究

在温度273.15 K、压力1.013×10^(5) Pa条件下,该文采用密度泛函理论计算方法,应用Gaussian 03程序B3LYP方法6-31G基组对十二烷基二甲基氧化胺及十二烷基磺酸钠的水合物结构(水分子数n=1~3)进行了全优化计算,从分子水平上研究了在气液界面层中表面活性剂分子与水之间的相互相用,并对界面的形成、稳定性和影响因素进行了分析.分析结果表明:表面活性剂与水分子以氢键形成了稳定的水合物,在水合物中发生明显的电荷从表面活性剂分子向水分子的迁移现象,水合过程体系的吉布斯自由能降低,是一个自发的过程.通过计算水合物的电荷分布规律,对气液界面层表面活性剂分子间相互作用及排布方式进行了理论研究.研究结果表明:表面活性剂疏水基团与亲水基团连接部分带有与亲水基同种电荷,而远离亲水基的一端带有部分负电荷;气液界面层表面活性剂可以通过氢键及静电作用力形成稳定有序的排布.对十二烷基二甲基氧化胺及十二烷基磺酸钠复配协同增效作用进行了理论解释,表面活性剂水合物分子间除了氢键作用外,还存在较强的正负电荷静电作用力,从而提高了其界面稳定性.

气-液界面法制备二氧化锰/聚苯胺复合材料教学实验

为了提高实验教学质量,培养学生的创新能力,设计了气-液界面法制备二氧化锰/聚苯胺复合材料教学实验。基于红外光谱和X射线衍射等方法分析了复合材料中聚苯胺和二氧化锰的化学组成与结构,利用扫描电子显微镜观察了复合材料的纳米多孔结构,最后通过电池充放电测试验证了复合材料优异的质量比容量(>300 mAh/g)。教学实践表明,在培养学生的操作技能、安全意识、团队合作、数据处理和总结思考等方面取得了较好的教学效果。

Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5高熵合金定向凝固固液界面转变与力学性能

采用定向凝固在3μm/s、5μm/s、10μm/s和50μm/s抽拉速率下制备了Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5高熵合金,对其组织演变及力学性能进行了研究,揭示了该高熵合金定向凝固固液界面转变机制与强化机理。结果表明:Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5高熵合金为单一FCC固溶体相,随抽拉速率增大,固液界面发生由胞状枝晶、胞状树枝晶到树状枝晶的转变,一次间距及晶粒尺寸均减小。抗压强度和压缩应变均随抽拉速率增加而增大,在50μm/s下最大压缩应变达到35.11%,最大抗压强度达到2369.41 MPa。抽拉速率提高和迟滞扩散效应导致固液界面胞枝转变;树状枝晶中明显增多的晶界阻碍位错滑移,导致变形中位错在晶界处塞积,晶界强化在定向凝固Ni43.9Co22.4Fe8.8Al10.7Ti11.7B2.5高熵合金中起到重要作用。此外,由于Ni、Co、Fe与其他原子半径差产生晶格畸变及固溶强化效应。

微液滴/注液界面摩擦力的主/被动控制及其机理研究

通过结合主/被动方式控制微液滴/注液表面的摩擦力,并研究了界面摩擦力的变化机理.结果表明:当注入流体二甲基硅油黏度从10 mm2/s增至100 mm2/s时,界面摩擦力从约15μN增至40μN;当外加电压从0 V增至240 V,摩擦力可以从15μN增至45μN左右;当外加电压从240 V逐渐降至0 V,摩擦力可以从45μN降至15μN左右,摩擦力实现了3倍范围内的动态调节.分析表明,增加注液表面二甲基硅油黏度会增强微液滴/注液界面氢键作用,导致摩擦力增加.在电压作用下,微液滴/注液表面发生介质上电润湿行为,有效界面张力随电压发生改变,实现固液界面摩擦力的动态调节.因此,通过改变黏度的被动方式和电压控制的主动方式可以有效调节微液滴/注液表面的摩擦力,研究成果可为微流体控制系统微通道表面的优化设计及微液滴的精确输送提供技术和理论指导.

电解质、聚合物或蛋白质诱导下在固液界面处形成的表面活性剂自组装结构和多层结构(待续)

对近年来在固液界面处形成的表面活性剂自组装结构和多层的研究进展进行了综述。重点介绍了从浓溶液或在电解质存在下的稀溶液形成的表面结构。对更复杂的聚合物-表面活性剂混合物中形成的表面结构进行了总结。对于表面活性剂自组装的吸附,以及已经很成熟的按顺序吸附法(例如逐层法“layer-by-layer”,很适合用于聚电解质及其相关混合物)进行了综述。讨论了调控润湿性能和提高润湿性能的方法,并突出强调了相应的潜在应用、润湿行为的改变、提高活性成分传递的效率和持久性,以及开发一系列智能功能化表面。

电解质、聚合物或蛋白质诱导下在固液界面处形成的表面活性剂自组装结构和多层结构(续完)

3涉及表面活性剂和聚合物的表面复合物的形成使用按顺序构建的吸附技术(如L-by-L、LB和LS方法),涉及聚合物特别是聚电解质的结构化的表面层的形成已经很成熟~([15-17]),并已应用于平面固体表面和一系列纳米颗粒。在各种工业、技术、医疗和家庭应用中,这种表面结构在开发功能化表面和对润湿性能的操纵方面备受关注~([16,17,20,21,43-45])。另一种替代方法是使用表面活性剂或聚电解质-表面活性剂混合物的自组装体,对吸附的聚电解质层进行修饰,以形成复杂的层状或自组装表面结构。

Ti2AlN(0001)/Al固液界面从头算分子动力学研究

通过从头算分子动力学模拟计算,系统研究不同终止面Ti2AlN(0001)/Al固液界面在铝熔点附近的的界面结构、界面能以及电子结构。计算结果表明:Ti2AlN(0001)的4类终止界面均能诱导Al熔体按照FCC-Al{111}密排面“A-B-C”次序堆垛成准固相区,准固相区外延扩展能力由大到小依次为N终止界面、Al终止界面、Ti(N)终止界面、Ti(Al)终止界面;Ti2AlN(0001)的4类终止界面诱导Al熔体形核强弱的原因在于界面处Ti2AlN表层原子与第1层Al原子不同强度的结合引起后续Al原子层间结合强弱,这为Ti2AlN作为铝合金新型异质形核基底以及作为铝基复合材料增强相的界面结构设计提供了理论依据。

微纳米气泡的气液界面作用在水处理与农业种植及水产养殖中的应用

近年来,微纳米气泡(MNBs)由于其具有比表面积大、水中停留时间长、气液传质效率高、Zeta电位高和能产生大量含氧活性基团等独特物理、化学特性而受到人们的广泛关注。随着对MNBs产生原因及其机理的不断研究,人们发现MNBs在环境修复、医疗、工业、农业等领域具有很好的应用潜能。文中简要介绍了MNBs强化气液传质、高Zeta电位与高稳定性、强化自由基生成等气液界面作用,并对MNBs技术在水处理、农业种植与水产养殖中的应用进行了综述,希望为其在相关领域应用提供理论和技术参考。