Boundary slip and wetting properties of interfaces: Correlation of the contact angle with the slip length

润湿 接触角 打滑(空气动力学) 阻力 滑移率 材料科学 表面能 表面光洁度 表面粗糙度 剪切速率 分子动力学 机械 热力学 化学 复合材料 剪应力 物理 计算化学 流变学
作者
Roman S. Voronov,Dimitrios V. Papavassiliou,Lloyd L. Lee
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:124 (20) 被引量:152
标识
DOI:10.1063/1.2194019
摘要

Correlations between contact angle, a measure of the wetting of surfaces, and slip length are developed using nonequilibrium molecular dynamics for a Lennard-Jones fluid in Couette flow between graphitelike hexagonal-lattice walls. The fluid-wall interaction is varied by modulating the interfacial energy parameter epsilonr=epsilonsfepsilonff and the size parameter sigmar=sigmasfsigmaff, (s=solid, f=fluid) to achieve hydrophobicity (solvophobicity) or hydrophilicity (solvophilicity). The effects of surface chemistry, as well as the effects of temperature and shear rate on the slip length are determined. The contact angle increases from 25 degrees to 147 degrees on highly hydrophobic surfaces (as epsilonr decreases from 0.5 to 0.1), as expected. The slip length is functionally dependent on the affinity strength parameters epsilonr and sigmar: increasing logarithmically with decreasing surface energy epsilonr (i.e., more hydrophobic), while decreasing with power law with decreasing size sigmar. The mechanism for the latter is different from the energetic case. While weak wall forces (small epsilonr) produce hydrophobicity, larger sigmar smoothes out the surface roughness. Both tend to increase the slip. The slip length grows rapidly with a high shear rate, as wall velocity increases three decades from 100 to 10(5) ms. We demonstrate that fluid-solid interfaces with low epsilonr and high sigmar should be chosen to increase slip and are prime candidates for drag reduction.
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