2024-02-07 23:37
“如何在微观层面测量界面现象”被列入世界前沿125个科学问题名单。长期以来，研究者不断发展新的理论和实验手段来研究界面问题，试图揭示界面上复杂现象的物理本质以及微观层面的分子行为与宏观现象间的关联机制。近日，中国力学研究所微纳米流体力学研究团队，利用独特设计的长针式原子力显微镜（Long-needle AFM），建立了能够在气液固三相界面上的精确操控和小尺度力学测量的实验平台，实现了离子液体在金属壁面离子排布和接触角迟滞的测量和调制。相关研究成果以“Manipulation of Contact Angle Hysteresis at Electrified Ionic Liquid-Solid Interfaces”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
离子液体是一种完全由阴、阳离子构成的电解液单向阀，拥有较大的离子尺寸以及较强的离子间相互作用。其独特的物理、和化学性质，使得离子液体在摩擦、催化和储能等领域引起了广泛的关注。它一方面呈现流体的物质状态，另一方面在分子之间强库伦相互作用下呈现出熔盐的特质，这些独特的性质使得它的界面现象很难被传统流体或稀电解质理论所解释制动频率。它也是一种潜在的“活性”流体，界面行为受到表面能量和受限效应的调控。利用该特性，研究团队通过电场调控离子在AFM长针壁面上的排布确定性故障，促使微观异质性增强，引起表面无序化和接触线钉扎效应，造成宏观接触角迟滞的增大，提供了由宏观毛细力表征微观界面离子排布的可行路径。
AFM常用于在空气或真空中测量固体表面形貌和样品与探针之间的相互作用力。但在液体环境中探针上的阻尼过大热加工，限制了其在流体力学和生物交叉研究中的应用。研究团队通过在AFM悬臂梁尖端组装精密可控的微米级长针，实验中只需将长针尖端探入液体，从而大大减小了悬臂梁上的阻尼。通过对长针表面修饰，可以实现具有不同物性特征的功能表面。当长针置于气-液界面时，流体界面会立即在固体表面形成毛细爬升齿廓。AFM可以直接测量作用在三相界面上的毛细力，以及探针垂直方向运动中力的动态变化，从而实现对流体界面的动力学和材料在液体环境中微纳尺度力学性质的直接测量。长针式AFM 力学分辨率可达0.01 纳牛，接触角分辨率为0.01o，时间分辨率为0.05 毫秒，具有极高的力学测量精度和可操控性，为进一步研究三相接触线等界面现象、微观分子与宏观力学耦合压花把手、原子制造与检测等力学交叉前沿提供了可行的工具。例如研究者与香港科技大学、国立中央大学合作，应用该技术研究了移动接触线的雪崩现象及其统计规律以“Avalanches and Extreme Value Statistics of a Mesoscale Moving Contact Line”为题背靠背发表在《物理评论快报》上。
力学所博士生聂鹏程为论文第一作者偏心质量，蒋玺恺副研究员为共同第一作者，郑旭副研究员为合著者，关东石研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委流体摩擦、中国科学院、以及基金委基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题”的资助。（来源：中国科学院力学研究所）
图1长针式原子力显微镜系统和离子液体在带电金属壁面毛细力与接触角迟滞的转变