超越潤滑理論的黏彈性潤濕轉變

核心概念

本研究將廣義潤滑理論應用於黏彈性流體，探討了接觸角大小、黏彈性正應力和液體夾帶之間的關係。

摘要

超越潤滑理論的黏彈性潤濕轉變

本研究探討浸塗幾何形狀中的黏彈性潤濕轉變，特別關注於固體板從液池中抽出或浸入時，接觸線的運動。傳統上，這類流動的研究採用潤滑近似法，但該方法僅限於小界面坡度和小接觸角。為了解決此限制，本研究採用基於黏性角流動解的廣義潤滑理論，來研究任意接觸角的流動。
研究首先推導了黏彈性液體的廣義潤滑理論，該理論考慮了正應力效應，並使用二階流體模型進行建模。接著，將該理論應用於浸塗幾何形狀中前進和後退的接觸線，突出了黏彈性正應力對任意接觸角下接觸線運動的影響。

本研究採用廣義潤滑理論，並基於黏性角流動解，推導出包含正應力效應的黏彈性液體潤滑方程式。為驗證理論模型，研究使用數值方法求解該方程式，並探討不同接觸角、毛細數和黏彈性參數對接觸線運動的影響。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Viscoelastic wetting transition: beyond lubrication theory

by Minkush Kans... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.07833.pdf

深入探究

如何將此研究結果應用於更複雜的浸塗工藝，例如考慮多相流體或非均勻表面？

將此研究結果應用於更複雜的浸塗工藝，例如多相流體或非均勻表面，需要克服幾個挑戰：
多相流體：

界面張力： 多相流體系統中存在多個界面，每個界面都有其界面張力。這些界面張力之間的相互作用會顯著影響接觸線的動力學行為。例如，在塗佈過程中，塗層液體和基板之間的界面張力，以及塗層液體和空氣之間的界面張力，都會影響最終的塗層厚度和均勻性。
流變性： 多相流體的流變性可能非常複雜，特別是當其中一相或多相表現出非牛頓行為時。例如，在塗佈乳液或懸浮液時，分散相的濃度和粒徑分佈都會影響流體的黏度和黏彈性，進而影響接觸線的運動。
擴散： 多相流體系統中，組成成分之間可能發生擴散，導致界面張力和流變性的時空變化。
非均勻表面：

接觸角滯後： 非均勻表面上的接觸角會隨著接觸線的前進或後退而發生變化，這種現象稱為接觸角滯後。接觸角滯後會導致接觸線釘扎，從而影響塗層的均勻性。
流動不穩定性： 非均勻表面上的流動更容易出現不穩定性，例如指進不穩定性，從而導致塗層缺陷。
應對策略：

數值模擬： 可以使用數值模擬方法，例如有限元法或格子玻爾茲曼法，來研究多相流體和非均勻表面上的黏彈性潤濕轉變。這些方法可以考慮複雜的界面張力、流變性和表面形貌。
實驗驗證： 需要進行實驗驗證，以驗證數值模擬結果，並深入了解多相流體和非均勻表面上的黏彈性潤濕轉變機制。
模型簡化： 對於特定的應用，可以對模型進行簡化，例如使用平均界面張力或簡化的表面形貌，以降低計算成本，同時保持合理的精度。
總之，將此研究結果應用於更複雜的浸塗工藝需要考慮多種因素，並採用適當的數值模擬和實驗驗證方法。

是否存在其他因素，例如表面粗糙度或流體溫度，會影響黏彈性潤濕轉變？

除了表面粗糙度和流體溫度，還有其他因素會影響黏彈性潤濕轉變：
表面粗糙度：

接觸角滯後： 如前所述，表面粗糙度會導致接觸角滯後，進而影響接觸線的運動和潤濕行為。
毛細現象： 表面粗糙度會產生毛細現象，影響流體在表面的鋪展和滲透。
流體溫度：

黏度和黏彈性： 流體的黏度和黏彈性通常與溫度有關。溫度升高通常會降低黏度，但對黏彈性的影響則更為複雜，取決於具體的流體。
界面張力： 界面張力通常隨溫度升高而降低。
其他因素：

表面化學： 表面的化學性質，例如親水性或疏水性，會顯著影響潤濕行為。
流體添加劑： 流體中的添加劑，例如表面活性劑或聚合物，可以改變流體的界面張力、黏度和黏彈性，進而影響潤濕轉變。
外部場： 外部場，例如電場或磁場，可以影響流體的流動和潤濕行為。
研究方法：

實驗研究： 可以通過改變表面粗糙度、流體溫度和其他因素，系統地研究這些因素對黏彈性潤濕轉變的影響。
理論建模： 可以發展新的理論模型，將這些因素納入考慮，以更準確地預測黏彈性潤濕轉變行為。
總之，黏彈性潤濕轉變是一個複雜的現象，受到多種因素的影響。深入了解這些因素的影響，對於設計和控制浸塗等工藝至關重要。

這些關於黏彈性潤濕的發現如何啟發我們對生物系統中類似現象的理解，例如細胞黏附或液體運輸？

黏彈性潤濕的發現為理解生物系統中的類似現象提供了新的視角，例如：
細胞黏附：

細胞膜的黏彈性： 細胞膜並非簡單的液體膜，而是具有黏彈性的複雜結構。細胞膜的黏彈性會影響細胞的形狀、運動和與其他細胞或表面的黏附。
細胞外基質的黏彈性： 細胞外基質也是一種具有黏彈性的複雜網絡結構，會影響細胞的黏附、遷移和信號傳遞。
接觸線動力學： 細胞黏附過程可以看作是細胞膜與其他表面形成接觸線的過程。黏彈性潤濕的理論可以幫助我們理解細胞黏附過程中的接觸線動力學，例如細胞鋪展、收縮和遷移。
液體運輸：

肺部表面活性劑： 肺部表面活性劑是一種具有黏彈性的物質，可以降低肺泡的表面張力，防止肺泡塌陷。黏彈性潤濕的理論可以幫助我們理解肺部表面活性劑如何影響肺泡的穩定性和氣體交換。
眼淚液： 眼淚液也是一種具有黏彈性的液體，可以潤滑眼球表面，防止眼球乾燥。黏彈性潤濕的理論可以幫助我們理解眼淚液如何均勻地分佈在眼球表面，以及如何影響眼球的舒適度和視力。
血液流動： 血液是一種複雜的黏彈性流體，其流動行為受到血管壁的黏彈性和血液細胞的影響。黏彈性潤濕的理論可以幫助我們理解血液在血管中的流動行為，以及如何影響心血管健康。
研究方向：

發展新的生物材料： 黏彈性潤濕的發現可以啟發我們設計具有特定潤濕特性的生物材料，例如用於組織工程或藥物遞送的材料。
開發新的診斷和治療方法： 通過研究細胞和組織的黏彈性潤濕特性，可以開發新的疾病診斷和治療方法，例如針對癌症或心血管疾病的治療方法。
總之，黏彈性潤濕的發現為理解生物系統中的類似現象提供了新的思路和方法。通過結合物理學、生物學和工程學的知識，我們可以更深入地了解生命現象，並開發新的技術來改善人類健康。