西北工业大学尹大川教授课题组在重力影响材料表面润湿性方面取得重要进展

西北工业大学尹大川教授课题组研究组研制了一台直径为6 m的离心机，测量了1 G – 8 G 重力下光滑且化学均一表面的接触角，并结合理论分析，成功解决了长期以来关于重力是否影响接触角的问题，相关成果以 “The Possibility of Changing the Wettability of Material Surface by Adjusting Gravity”为题发表在Research上 (Research, 2020, 2640834， DOI: 10.34133/2020/2640834)。

研究背景

接触角是表面界面科学领域最常用的参数之一。根据著名的杨氏方程，接触角由界面张力（或者界面能）所决定。人们在测量接触角时也常常忽略重力的存在。然而，随着太空探索活动的日益频繁，出现了重力是否影响接触角的问题。从上世纪开始，该问题一直存在争议：理论研究认为接触角不受重力影响，而实验的结果显示不同重力下接触角并不相同。

研究进展

西北工业大学尹大川教授课题组研究组研制了一台直径为6 m的离心机（图1），通过无线遥控和视频信号传输的方式，测量了1 G – 8 G 重力下三种液体在三种光滑且化学均一、接触角滞后极低表面的接触角。

图1  长转臂离心机及其接触角测量单元

结果显示，随着重力水平的增大，亚稳定平衡态的前进接触角和后退接触角都在减小，且减小幅度小于接触角滞后范围（图2），说明重力引起表观接触角的减小不单单是接触角滞后的结果。

图2  不同重力水平下的表观接触角

为了揭示重力影响表观接触角的机理，作者分析了不同重力下静水压的变化及其引起的气液界面的变形情况（图3，图4），发现接触角并不随重力发生变化，而测量的表观接触角随重力减小是因为测量系统的分辨率有限，导致测量的接触角并不在固体表面上，而是远离固体表面气液界面上某个区域的倾斜角（图4），重力越低，测量系统分辨力越高，此倾斜角越接近真实的接触角。最后，作者通过对三相接触角区域的力学分析，建立了一个新的方程，该方程定量地描述了重力，表观接触角与界面张力的关系。

图3  不同重力水平下的液滴形貌及静水压

图4  不同重力水平下气液界面倾斜角随高度的变化

未来展望

该研究成功解决了在润湿领域长期存在的关于重力是否影响接触角的争论，也为其他体积力（如磁场）是否影响接触角提供新的视角。在应用方面，该研究有望用于航空领域，此外，依据这项研究成果，有望开发出更加精确的润湿性表征技术，从而促进润湿，尤其是超润湿领域的发展。

作者简介

尹大川，西北工业大学教授，西北工业大学生命学院副院长（主持工作），空间生物实验模拟技术国防重点学科实验室主任。中国晶体学会常务理事，国际生物大分子结晶学术组织（IOBCr）执委。研究方向包括：1）生物大分子结晶方法学；2）生物材料；3）空间生物技术；4）强磁场应用等。代表性成果有：在材料学研究领域，发展的无机溶胶-凝胶材料制备技术（Inorganic Sol-Gel Method）在国内外多个实验室得到应用并获进一步的发展；在生物大分子结晶方法学研究方向，发展的一些技术（Desiccation Method；Cycling Temperature Strategy(CTS)，Cross-Diffusion Batch (CDB)等）在国际多个著名学者的实验室得到应用；在应用研究方面，采用结晶技术实现高活性、高纯度蛋白质制备，可以在蛋白类药物、蛋白类材料、生化试剂等产业领域方面获得应用。

往期回顾

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03-2020

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01-2019

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