神奇的接触线

知识点：接触线

一、什么是接触线？

当一滴液体滴落在固体壁面时，在表面张力的作用下润湿壁面，液滴会铺展开来，液滴外缘三相（气相、液相、固相）相遇处的边界线，称为接触线。例如，当一个水滴静止在光滑的固体表面上时，水滴与空气之间的界面与固体壁面的交线即为接触线。

二、接触线为什么特殊？

由于接触线是三相交汇的区域，在具有不同热物性的气、液、固三相共同作用下，接触线的物理性质必定是非常特殊且复杂的。

在表面张力占主导作用的相对较小的流动尺度下，接触线是控制润湿的主要原因。当一滴液体滴落在固体壁面时，在表面张力的作用下润湿壁面，液滴会铺展开来，接触线处受力平衡时铺展过程结束，液滴稳定下来，此时，作用在接触线上单位长度的力的合力为零，即

该方程即为著名的Young方程。其中是液滴的接触角，即液滴平衡状态下，接触线处两相流体界面的切线与固体壁面所成的夹角，根据Young方程，若三相的表面自由能都已知，则可以确定接触角。接触角反映着不同表面的润湿性能，当接触角<90°时，称表面具有亲水性，当接触角>90°时，称表面具有疏水性，特别地，当接触角>150°，则称表面具有超疏水性。

图1 接触角与接触线示意图

接触线是一个涉及从微观到宏观的跨尺度区域。对于固体壁面上的液滴，根据不同的长度尺度，可将液滴分为三个不同的区域（图2）：从液滴中心到边缘依次是毛细管区（Capillaryregion，10-7~10-2m）、过渡区（Transitionalregion，10-9~10-7m）和分子区（Molecularregion，<10-9m）。我们所能观察到的接触线，即表观接触线，存在于中间的过度区域，在其之外，由于分离压力，通常可以观察到纳米尺度的前驱膜，在其之内，则是液滴半径尺度上的宏观流动。

图2根据长度尺度对液滴的分区

图3 接触线附近的扩展弯月面

液滴蒸发时主要的传质传热过程都发生在接触线附近。1971年，Potash和Wayner首次提出，接触线附近存在一个特殊区域，称为“扩展弯月面”（图3）。基于区域内起主导作用控制力的不同，可将扩展弯月面分为三个区域：平衡薄液膜区、蒸发薄液膜区以及固有弯月面区。其中，蒸发薄液膜区液膜很薄，导致热阻很小，故这一区域换热系数极大，因此，通常认为此处是相变过程中传质传热现象的主要发生区域。此外，扩展弯月面的稳定存在和热量传导依赖于液滴内部的流动，因此，接触线处的换热特性与其内部流动息息相关。

三、液滴蒸发过程中的接触线特性

接触线的行为在液滴蒸发过程中扮演着十分重要的角色。不同种类液滴的蒸发模式主要取决于接触线处的蒸发动力学。1977年，Picknett和Bexon首次提出在个体基底上蒸发的液滴存在两种不同的模式：（1）接触角保持不变，液滴半径减小的恒定接触角模式，即CCA（constant contact angle）模式；（2）液滴接触半径保持不变，即接触线钉扎，接触角减小的恒定接触半径模式，即CCR（constant contact radius）模式。之后，又有学者观测到了液滴的第三种蒸发模式，即“粘滑”模式，是前两种模式的交替或组合出现。不同的蒸发模式下接触线的行为也各异，液滴干燥后会形成各种各样的沉积图案。

图4 多样的沉积图案。(a)环状；(b)在中心区域聚集；(c)同心多环；(d)接触线处出现指形；(e)均匀沉积；(f)出现六边形单元的沉积形貌

例如，形成“咖啡环”现象的蒸发过程，就是典型的CCR模式。根据“扩展弯月面”模型，可解释“咖啡环”图案的形成机理：由于溶剂在液滴接触线处蒸发速率更快，因此溶液需由中心向边缘流动来补偿损失的溶剂，从液滴中心到边缘的毛细流动发生，同时，接触线被固定，使得液滴中的颗粒流动并聚集在接触线处。因此，接触线的钉扎直接影响着液滴内部的流动。

图5 咖啡滴落在固体表面的环状沉积图案

接触线处的受力平衡不断发生变化，这可能导致接触线的“解钉扎”现象。如果液滴蒸发过程中接触线反复被“钉扎”和“解钉扎”，则会出现同心多环结

构的沉积图案。出现这种现象的主要原因是因为随着蒸发的进行，液滴接触线处的自由能发生了变化，变化的能量超过了固定液滴接触面积的势能垒，整个平衡状态被打破，液滴根据自身性质和固体表面的物理性质，接触线出现了不同的运动方向，但整个液滴都是朝着最小自由能的位置运动，到达最小自由能处，接触线受力也达到平衡，液滴又维持平衡状态，直到下一个循环出现。

四、移动接触线

移动接触线问题也是学者们广泛关注的课题。对于非理想的实际固体表面，当把液滴滴下时，液滴会从原来的球形在固体表面上逐渐展开形成稳定的球冠形，从而可以得到一个接触角，由于这个稳定状态是由液滴铺展形成的，称这样的接触角为前进接触角，对应的为前进接触线问题；若再用某种方法，把球冠状的液滴从固体表面上收起，则刚开始时接触线不动，只是接触角变小，当接触角小到一定程度时，接触线开始收缩移动，这时的接触角由于是收回过程中呈现的接触角，称为后退接触角，对应后退接触线问题。

移动接触线问题广泛存在于自然界和实际生产生活中。自然界中，水黾等生物依靠腿部和身体的疏水特性，利用界面的张力，实现在水面上的漂浮、跳跃等运动。在高新技术技术开发方面，动态润湿问题中的接触线的移动特性在能源动力、石油化工、航空航天等很多过程中有重要影响，是学者们研究的重点。在工业应用中，各种镀膜、喷涂、纳米打印技术等都是典型的移动接触线问题的应用。

丰富的自然现象、广泛的工业应用使得对接触线问题的研究具有重要的科学意义和广泛的应用前景。对接触线的各种规律和机理的研究，例如，接触线的钉扎/脱钉现象，接触线处的传质传热特性，由于接触线处的力学不稳定性的耦合导致的丰富的相变行为，以及在液滴的润湿和铺展过程中移动接触线动力学理论等，既可以让我们更深入的了解自然、认知世界，也可以为我们改善生活，提高工艺技术提供巨大的帮助。

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