[论文解读] Dynamic mechanisms for apparent slip on hydrophobic surfaces

Eric Lauga, Michael P. Brenner|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2003

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用 1

一句话总结

本文提出了一种动态气泡模型，用以解释疏水表面上表观剪切依赖性滑移现象，其中振荡的固体表面引发气泡压缩与气体扩散，通过‘漏气床垫’效应降低流体动力学力。该模型定量再现了朱和Granick通过原子力显微镜测量结果一致的纳米气泡参数所观测到的大尺度、剪切依赖性滑移。

ABSTRACT

Recent experiments [Y. Zhu and S. Granick, Phys. Rev. Lett. 87, 096105 (2001)] have measured a large, shear-dependent fluid slip at partially wetting fluid-solid surfaces. We present a simple model for such a slip, motivated by the recent observations of nanobubbles on hydrophobic surfaces. The model considers the dynamic response of bubbles to change in hydrodynamic pressure, due to the oscillation of a solid surface. Both the compression and diffusion of gas in the bubbles decrease the force on the oscillating surface by a leaking mattress effect, thereby creating an apparent shear-dependent slip. With bubbles similar to those observed by recent atomic force microscopy, the model predicts a force decrease consistent with the experimental measurements of Zhu and Granick.

研究动机与目标

• 解释在部分润湿的疏水表面上实验观测到的大尺度、剪切依赖性流体滑移现象。
• 解决宏观流体动力学理论与疏水界面实验滑移测量之间的差异。
• 研究纳米气泡通过动态压力响应在中介表观滑移中的作用。
• 开发一个物理解释一致的模型，将气泡动力学与可测量的流体动力力减少联系起来。

提出的方法

• 模拟纳米气泡对移动固体表面产生的振荡流体压力的动态响应。
• 将气泡压缩与气体扩散作为降低有效法向力的关键机制。
• 使用‘漏气床垫’类比描述由于气泡形变和气体交换导致的能量耗散引起的力减少。
• 应用标准气体扩散与可压缩性定律，预测在振荡压力下气泡的时间依赖性响应。
• 通过使用与原子力显微镜观测一致的合理纳米气泡尺寸，将模型预测与朱和Granick（2001年）的实验力测量结果匹配。
• 利用原子力显微镜观测获得的纳米气泡参数对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过物理机制解释在疏水表面上观测到的大尺度、剪切依赖性滑移？
• RQ2 纳米气泡在通过动态压力响应中介表观滑移中起什么作用？
• RQ3 气泡压缩与气体扩散能否解释测量到的流体动力力减少？
• RQ4 该力减少是否与朱和Granick（2001年）的实验数据一致？

主要发现

• 该模型预测由于动态气泡响应导致流体动力力显著降低，与表观滑移的实验测量结果一致。
• ‘漏气床垫’效应——由气泡压缩与气体扩散驱动——解释了观测到的滑移的剪切依赖性特征。
• 在纳米气泡参数与原子力显微镜观测结果一致的前提下，该模型再现了实验中观测到的力减少量级。
• 气泡对振荡压力的动态响应为经典流体动力学理论未涵盖的表观滑移提供了物理解释基础。
• 该模型表明，界面处的气相动力学在纳米尺度上可主导流体相互作用。