Nyligen, en grupp ledd av Prof. Wu Heng'an och Prof. Wang Fengchao från University of Science and Technology of China (USTC) vid Chinese Academy of Sciences (CAS) i samarbete med Prof. Joel De Coninck från University of Mons har tillhandahållit en teoretisk insikt i kapillärkrafter vid kontaktlinjen och validerade Youngs ekvation utifrån en mekanisk tolkning. Forskningsresultaten publicerades online i Fysiska granskningsbrev .

År 1805, den brittiska forskaren Thomas Young beskrev det kvantitativa sambandet mellan gränsytspänning och kontaktvinkel när han studerade vätnings- och kapillärfenomen. I mer än 200 år, Youngs ekvation har blivit en av de mest grundläggande teorierna inom området vätning. Den beskriver balansen mellan tre gränssnittsspänningar parallella med gränsytan mellan fast och vätska. Dock, forskare har ifrågasatt dess tolkning som ytkrafter eller ytenergier och åtagit sig att bevisa dess giltighet på nanoskala.

Trots anmärkningsvärda framsteg de senaste åren, pussel och utmaningar återstår fortfarande. Först, kapillärkraften presenteras inte i Youngs ekvation. Dessutom, Youngs ekvation kan inte verifieras direkt i experiment. Jämfört med dess termodynamiska härledning, det finns fler hinder för att lägga fram den mekaniska tolkningen av ekvationen.

För att lösa problemet, gruppen från USTC föreslog en teoretisk modell för att beskriva kapillärkraften vid kontaktlinjen.

Forskarna undersökte den kapillära kraftbalansen på ett vätskehörn på atomär skala och övervägde detta problem med en vätska i samexistens med dess ångfas. Analysen baserades på sönderdelningen av gränssnittsspänningarna fast-vätska och fast-ånga i tre termer, båda har en tydlig fysisk betydelse. Den föreslagna modellen verifieras av molekylär dynamiska simuleringar över ett brett kontaktvinkelområde. Skillnader i kapillärkrafter observeras i förångande droppar på homogena och dekorerade ytor.

Efter samma tillvägagångssätt, de verifierade också Youngs ekvation på nanoskala från en synvinkel av mekanisk tolkning. Mikroskopiska detaljer om vätningsmekanismen och kapilläriteten. Dessa resultat ger ny fysisk insikt i den kapillära kraftbalansen vid kontaktlinjen.

Denna studie ger inte bara nya insikter för en djupgående förståelse av många fenomen av gränssnittsvätning, men har också viktig vetenskaplig betydelse inom tillämpningsområdena för mikro-nano-fluidic chip design och förbättring av reservoaråtervinning med låg permeabilitet.