一种可实现液滴自驱动的双层二维材料润湿性梯度表面的构建方法

1.本发明属于计算二维纳米材料技术领域，涉及一种可实现液滴自驱动的双层二维材料润湿性梯度表面的构建方法。
技术背景
2.润湿性梯度表面广泛存在于自然界中，例如猪笼草、仙人掌和沙漠甲虫等生物体表面。对于润湿性梯度表面而言，其重要的应用之一是能够实现液滴的自驱动定向运输，相关现象引起了众多国内外科研人员的关注，并已经成为除光、电、热和磁等外场驱动方法之外的驱动液滴的重要途径。随着对润湿性梯度表面研究的不断深入，其在许多工程应用和新兴科技领域中展现出了广阔的应用前景，例如换热器、淡水收集和生物芯片等。因此，对于能够实现液滴自驱动的润湿性梯度表面的研究具有重要的科学意义和应用价值。
3.目前，润湿性梯度表面的构建主要通过修饰材料表面分子成分和表面结构两种方式实现。例如，基于化学改性技术改变材料表面的化学性质，形成化学梯度性；利用微纳结构对材料表面进行梯度性粗糙度的修饰；在材料表面构造沟槽等梯度变化的结构构建梯度性润湿表面等，进而实现液滴的自驱动运输。然而，对于大多数方法而言，其所需材料构造较为复杂，操作难度较大，润湿梯度为阶梯状，没有实现连续均匀变化的润湿梯度，存在应用性较差、成本高等问题。
4.二维材料作为重要的纳米材料之一在诸多领域得到了广泛的关注和应用。它在润湿过程中展示出的透明性特性，为润湿梯度表面的构建提供了新的途径。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种可实现液滴自驱动的双层二维材料润湿性梯度表面的构建方法。此方法从高效、可行的角度建立了具有均匀、连续梯度变化润湿性的材料表面，实现了液滴连续加速地自驱动定向运输。这为在微纳米尺度下润湿梯度表面和液滴定向运输的研究和应用提供了重要的方法。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种可实现液滴自驱动的双层二维材料润湿性梯度表面的构建方法，包括以下步骤：
8.首先，建立由双层二维材料构成的润湿性梯度表面数值模型(数值模型均通过matlab建立)。其中，由两片单层二维材料构成固体材料，它的密度分布均匀且连续，并且保持相互平行；水滴(h2o)作为液体材料，水滴的密度分布均匀且连续，位于固体材料表面中心的上方。整个润湿系统由双层二维材料和水滴共同组成。双层二维材料之间的初始层间距离d0小于以确保下层二维材料分子与水分子之间的范德华相互作用能够调节水滴的润湿行为。
9.其次，以二维材料的一端边界(坐标为x＝x0)为旋转轴，旋转下层二维材料使之呈
一定的微小角度α(0
°
＜α≤5
°
)。双层二维材料之间的层间距离自旋转轴开始，以相同的变化率tanα连续的增加，直至双层二维材料的另一端部。因此，某一位置x处的层间距离d
x
为：
10.d
x
＝d0 (x-x0)tanα
ꢀꢀ
(1)
11.在双层二维材料与水滴的润湿系统中，系统的粘附能wa与双层二维材料的层间距离d相关。因此，润湿系统的粘附能wa随层间距离d也产生均匀连续的变化。利用宏观经典的young-dupr
é
模型，如式(2)所示，可知固体材料的上表面形成了均匀且连续的梯度润湿性。
12.wa＝γ
lv
(1 cosθ)(2)
13.其中，γ
lv
为液体的表面张力，θ表示液体在固体材料表面上润湿时的接触角。
14.最后，固体材料上方的液体在润湿系统粘附能wa的驱动下能够自主地做加速运动。本发明能够通过选取不同润湿性能的双层二维材料、调整双层二维材料之间的初始层间距离d0以及旋转角α，实现对液滴运动速度的实时调控。
15.此外，本发明中建立的理论模型能够利用分子动力学方法进行模拟验证。通过改变模拟中模型的计算参数，实时观测与考察液滴定向运输的自驱动效果。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明提出的一种可实现液滴自驱动的双层二维材料润湿性梯度表面的构建方法，通过利用二维材料超薄特征在润湿过程中呈现出的特殊性质，构造了由双层二维材料形成的润湿性梯度表面，并实现了定向持续加速地液滴自驱动运输。本发明能够避免实验带来的成本和操作上的难题，实现液滴自驱动运输，并能够对输运方向和速度进行在线控制，为润湿性梯度表面的设计和制备提供新的途径。
附图说明
18.图1为润湿性梯度表面模型的示意图。
19.图2为润湿性梯度表面模型驱动液滴模拟过程示意图。
20.图3为液滴自主运动的速度随时间变化的曲线。
21.图4为液滴自主运动的位置随时间变化的曲线。
22.图5为不同参数数值下的液滴自主运动的速度。(a)为对照工况中液滴速度的变化图；(b)为考察下层材料润湿性能影响的工况中液滴速度的变化图；(c)为考察初始层间距离影响的工况中液滴速度的变化图；(d)为考察下层材料倾角影响的工况中液滴速度的变化图。
具体实施例
23.下面结合附图与技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
24.本实施例建立了由双层石墨烯材料构成的润湿性梯度表面数值模型，如图1所示。
25.首先，选择两片单层石墨烯材料构成固体材料，两片单层石墨烯材料的密度分布均匀且连续，并且保持相互平行；选择水滴作为液体材料，水滴的密度分布均匀且连续，位于固体材料中上层石墨烯材料表面中心的上方。双层石墨烯材料和水滴共同组成润湿系统，润湿系统中所有粒子在三维笛卡尔坐标系中的位置均通过软件matlab编译出。
26.双层石墨烯材料中碳原子与水滴中水分子的相互作用为lennard-jones(lj)势函数，lj势能参数ε选取0.1048996kcal/mol，σ选取为根据双层石墨烯材料中碳原子
与水滴中水分子之间的范德华力相互作用的性质，双层石墨烯材料的初始层间距离d0选取为以此保证下层石墨烯材料中粒子与水滴中水分子之间的范德华力能够对水滴的润湿行为产生影响。
27.其次，以下层石墨烯材料的一侧边界(坐标为x＝0)为旋转轴，旋转角所在的平面垂直于双层石墨烯材料的表面，旋转下层石墨烯材料一定的微小角度α，数值为1
°
。使得双层石墨烯材料之间的层间距离自旋转轴处开始，沿着相同的变化率tanα均匀且连续的增加，直至双层石墨烯材料的末尾。即x位置处的层间距离d
x
为：
[0028][0029]
在双层石墨烯材料与水滴的润湿系统中，系统的粘附能wa与双层石墨烯材料的层间距离d相关。因此，润湿系统的粘附能wa随层间距离d也产生均匀连续的变化。根据宏观经典的young-dupr
é
模型可知固体材料的上表面形成了均匀且连续的梯度润湿性。
[0030]
最后，润湿系统粘附能wa的变化使液滴在固体材料的上表面自主地向下层石墨烯材料旋转的旋转轴方向做加速运动，直至固体材料的边缘。
[0031]
为了验证和观测实施例的合理性和可行性，本发明利用分子动力学模拟软件lammps对实施例进行模拟，模拟细节如下：边界条件设置为周期性，系综为nvt，利用nos
é
/hoover恒温器保持系统温度为300k；力场为内置的gromacs中12-6类型的lj势函数，截断半径为通过pppm算法考虑长程库仑力，并忽略碳原子与氢原子之间相互作用；水分子的模型选用tip4p-ew，分子数目为4000个。
[0032]
模拟结果如图2所示，在稳态润湿300ps后，倾斜下层石墨烯材料1
°
，形成润湿性梯度表面，液滴实现自驱动定向运输，并在运动的过程中保持加速，如图3和图4所示。
[0033]
双层石墨烯材料的润湿性能、双层石墨烯材料之间的初始层间距离d0和下层石墨烯材料旋转角α的数值能够对液滴运动的速度产生影响，液滴速度的大小因上述参数的不同而改变。通过控制变量，本实施例考察了调整参数数值后液滴运动速度的变化，结果对比如图5所示。
[0034]
综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如调整双层二维材料和液体材料的属性，以及倾角和层间距等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。