[论文解读] Capillary Rise and Imbibition of Liquids in Nanoporous Matrices: Rheological Concepts and Experiments

Simon Gruener, Patrick Huber|arXiv (Cornell University)|May 5, 2010

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究通过重力测量方法，研究了孔径为3.4–4.9 nm的纳米多孔熔融石英玻璃（Vycor）中毛细驱动的自发吸入行为，分析了液体流动动力学。研究发现，多种液体（水、正构烷烃、硅油、液晶）均表现出与时间平方根成正比的吸入动力学，该现象可由保持不变的本体流体性和毛细作用，以及具有粘附性（负滑移长度）的界面层解释；同时观察到n-二十四烷中弯月面冻结现象，以及受限向列相液晶中黏度变化被抑制的现象。

ABSTRACT

Liquid flow propelled by capillary forces is one of the most important transport mechanisms in porous environments. It is governed by a fascinating interplay of interfacial, viscous drag as well as gravitational forces which liquids encounter upon invasion into geometries with often complex topologies, such as capillary networks of trees or interconnected fractures in soils and ice. Here, we present fundamentals, concepts and an experimental, gravimetric study on the capillarity-driven invasion dynamics of liquids in networks of pores a few nanometers across in monolithic, nanoporous silica glass (porous Vycor). A variation of the complexity of the building blocks of the liquids investigated along with a variation of the humidity and the temperature upon spontaneous imbibition allows us to gain information regarding the fluidity and capillarity of liquids in such nanoporous environments. We observe square-root of time imbibition dynamics for all liquids applied, which we can quantitatively describe by both a conserved bulk fluidity in the pore center and bulk capillarity at the advancing menisci, if we assume a sticky boundary layer (negative velocity slip length). Moreover, pecularities of nanopore-confined liquids, such as transport via the vapor phase leading to preadsorbed liquid layers, have to be properly accounted for. Upon increasing the chain-length in the case of the n-alkanes, we found hints towards a transition from stick- to slip-flow at the pore walls with increasing chain-length and thus polymeric behavior. Meniscus freezing is reported for n-tetracosane confined in porous Vycor. For the rheology of a rod-like liquid nematogen (8OCB) we found no hints of the viscosity drop upon entering into the nematic phase, typical of the bulk rheology of this liquid crystal.

研究动机与目标

• 理解液体在极端空间受限条件下的流变行为，特别是纳米尺度下连续介质流体力学可能失效的情况。
• 确定本体流体性和毛细作用在纳米孔中是否得以保持，以及界面相互作用如何影响流动动力学。
• 研究受限于纳米孔中的液体（包括液晶和长链烷烃）的相变行为与流动异常现象。
• 评估经典流体动力学模型（如达西定律）在具有复杂孔隙拓扑结构的纳米多孔网络中的适用性。
• 探讨界面层（如预吸附膜和弯月面冻结）在改变吸入动力学中的作用。

提出的方法

• 对孔径可控（3.4 nm 和 4.9 nm）的块状纳米多孔Vycor玻璃进行自发吸入的重力测量。
• 系统改变液体的复杂性：水、正构烷烃（C24）、硅油和棒状液晶（8OCB）。
• 将达西定律扩展至纳米多孔网络，假设本体流体性和毛细作用保持不变，并采用负滑移长度边界条件。
• 通过时间相关的质量吸收分析提取吸入动力学，并从与时间平方根成正比的标度中推断滑移长度。
• 将预吸附液层和气相传输效应纳入流体动力学模型。
• 结合双折射和热分析方法，表征平衡相行为及其对动态流动的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米孔中的毛细驱动吸入是否遵循与时间平方根成正比的动力学？这一现象能否通过本体流体性与毛细作用，以及经过修正的边界条件来解释？
• RQ2 界面相互作用（特别是具有粘附性的（负滑移长度）界面层）如何影响纳米孔中的吸入动力学？
• RQ3 液体在孔中心的流体性在多大程度上得以保持？与本体行为相比有何差异？
• RQ4 预吸附液层和气相传输在纳米尺度吸入过程中的作用是什么？
• RQ5 空间受限如何改变液晶的相变行为？向列相转变时的黏度下降是否仍然存在？

主要发现

• 所有研究液体均表现出与时间平方根成正比的吸入动力学，与孔中心本体流体性和毛细作用保持一致。
• V5的滑移长度为b = (-1.11 ± 0.23) nm，V10的滑移长度为b = (-1.54 ± 0.31) nm，表明存在粘附性界面层，意味着孔壁处无滑移流动。
• 在Vycor中观察到n-二十四烷的弯月面冻结现象——形成类似表面活性剂的定向单层，表明界面结构强烈有序。
• 对于棒状液晶8OCB，进入向列相后未观察到黏度下降，表明典型的本体流变学转变被抑制。
• 在受限条件下，8OCB的向列相得到稳定，由于流动诱导的取向排列，介晶相到向列相的转变过程变宽。
• 研究结果提示存在双相流模型：孔中心为快速、类本体流体的流动，界面层为缓慢流动，具有强烈的液-基底相互作用，类似于吸附等温线中的薄膜态和毛细凝聚态。