Гидродинамические и электрокинетические течения вблизи супергидрофобных поверхностей

• Автор: Беляев, Алексей Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Теоретические представления об эффектах вблизи супергид-рофобных поверхностей
1.2. Методы экспериментальных исследований гидрофобного и элек-трокинетического скольжения жидкости
1.3. Мезоскопическое компьютерное моделирование эффектов скольжения на супергидрофобных поверхностях
1.4. Выводы по первой главе
Глава 2. Гидродинамические течения вблизи супергидрофобных поверхностей
2.1. Собственные значения тензора эффективной длины скольжения
2.2. Эффективное скольжение в произвольном направлении
2.3. Генерация поперечного потока жидкости за счет анизотропии скольжения
2.4. Выводы по второй главе
Глава 3. Гидродинамическое взаимодействие с супергидрофоб-
ной поверхностью
3.1. Сила гидродинамического сопротивления, действующая на диск
3.2. Сила гидродинамического сопротивления, действующая на сферу
3.3. Выводы по третьей главе
Глава 4. Электроосмос вблизи супергидрофобных поверхностей

4.1. Течение вблизи супергидрофобной плоскости с полосатой текстурой
4.2. Анизотропия электроосмотической подвижности
4.3. Выводы по четвертой главе
Заключение
Литература
Приложение А
A.1. Взаимосвязь симметрии узора поверхности и главных осей тензора эффективной длины скольжения
Приложение Б
Б.1. Вывод аналитических выражений для главных значений тензора эффективной длины скольжения в пределе широкого канала
Б.2. Алгоритм численного решения систем уравнений для Фуръе-
коэффициентов скорости жидкости
Приложение В
B.1. Алгоритм численного решения систем уравнений для Фурье-коэффициентов скорости электроосмотического течения

Введение
Устойчивая тенденция к уменьшению размеров элементов гетероструктур микроэлектроники естественным образом распространилась на решение аналогичных задач микрофлюидики - междисциплинарной науки, описывающей поведение малых (порядка нано- и пиколитра) объёмов жидкостей. Проектирование и разработка интегральных “лабораторий-на-чипе” требует уменьшения характерных размеров каналов, по которым осуществляется транспорт жидкости в таких устройствах, что приводит к возрастающей роли поверхностных и межфазных явлений в подобных системах.
Как правило, поверхность твердого тела не является однородной и идеально гладкой на микро- и нано-масштабе. Неоднородность профиля поверхности и локальных физических свойств, таких как плотность заряда и смачивание, могут оказывать существенное влияние на макроскопические эффекты, наблюдаемые вблизи таких гетерогенных поверхностей в составе многофазной физической системы. Так, в частности, неоднородность распределения электрического заряда на поверхностях коллоидных частиц может существенно изменить величину силы и характер их взаимодействия [1], а эффекты переноса в жидкости могут быть усилены вблизи неоднородно заряженной плоской поверхности за счет электрокинетической конвекции [2]. Другим примером могут служить супергидрофобные (СГФ) покрытия [3], получаемые в результате придания микро-/нано-рельефа гидрофобной твердой поверхности. При контакте такой поверхности с жидкостью (водой) углубления рельефа могут оставаться заполненными газовой фазой (так называемое состояние Касси) вследствие гидрофобное™ материала. Показано, что на макроскопическом уровне подобный эффект приводит к проявлению сильных водоотталкивающих свойств, “самоочистке” поверхностей [4] и заставляет капли жидкости катиться по наклонной поверхности под действием силы

1.4. Выводы по первой главе
1. Ряд уникальных свойств супергидрофобных поверхностей (таких как водоотталкивание и высокая подвижность жидкостей) вызывает необходимость их дальнейшего исследования. Ожидается, что эффективное скольжение на таких текстурах позволить снижать гидродинамическое сопротивление течению жидкостей в микроканалах, а также усилить межфазные транспортные явления, в частности, электроосмос.
2. Влияние неидеальности скольжения на газовых участках на значения эффективной длины скольжения и электроосмотической подвижности жидкости вблизи супергидрофобных текстур требует углубленного теоретического исследования.
3. Использование континуальных моделей конденсированных сред в комбинации с концепцией эффективных граничных условий скольжения и теорией явлений переноса в гетерогенных средах представляет собой удобный аппарат для теоретического исследования указанных явлений.
4. Для компьютерного моделирования рассматриваемых явлений метод решеточного уравнения Больцмана обладает рядом преимуществ, включая сравнительно высокую скорость и точность расчетов.