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纳尺度静电喷射的启动电压特性和喷射模式影响因素的关键机理研究

沙菁㛃教授项目组开展了纳尺度静电喷射的启动电压特性和喷射模式影响因素的关键机理研究。以纳尺度静电喷射的启动电压特性入手,结合分子动力学NAMD的模拟结果,分析了纳尺度启动电压的影响因素,喷射模式的转变因素,分子间作用力在静电喷射过程中的影响

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图一  静电喷射分子动力学模型


近日,国际纳米科技权威期刊《Small》,接收东南大学机械工程学院沙菁㛃教授在纳米静电喷射研究方面的重要进展。他们首次在实验上研究了纳尺度静电喷射的模式影响因素,揭示了电解质浓度对静电喷射模式的决定性影响。论文题目为Ion Concentration Effect on Nanoscale Electrospray Modes。(doi:10.1002/smll.202000397

静电纳喷的机理是利用电场力克服导电液体在微纳米管口处的表面张力,以实现导电液体喷射的技术1969Tarylor等人对微米级尺寸的静电喷射进行了研究,不仅发现了泰勒锥的存在,还计算出了泰勒锥的角度为49.8°,并在当时提出了启动电压的计算公式。随着人们研究的不断深入,发现静电纳喷中存在着不同的喷射模式,可归纳为两种:1.滴流模式,即带电液体在喷口处断裂发生雾化;2.连续流模式,即带电液体在喷口处不会发生断裂,喷出的液体为连续的射流。目前已知的影响静电喷射模式的主要因素有液体流速、粘度和电场强度。导电液体流速越快,越容易发生断裂;电场强度越大导电液体也越容易发生断裂。

近年来,利用静电喷射技术开展微纳增材制造成为研究热点之一,而纳尺度下静电喷射的机理却少有研究。研究团队利用NAMD分子动力学模拟,开展了纳尺度下的静电喷射模拟研究如图所示,模型以碳纳米管通道作为喷嘴,模拟了3nm孔径下的电解质溶液在高场强下的运动轨迹。研究发现,电解质溶液的浓度对静电喷射模式具有决定性的影响,低浓度喷射呈现射流,而高浓度喷射呈现滴流。这一发现拓展了纳尺度下静电喷射模式的影响因素,并阐述了分子间作用力可能是导致该现象的关键原因,该发现为纳尺度静电喷射技术提供了新的认知。

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图二 不同浓度下的静电喷射模式

浓度对纳尺度静电喷射模式的影响对微纳增材制造具有重要的参考意义。论文第一作者为机械工程学院2019级博士生郑斐和2016级硕士生张帅,通信作者为沙菁㛃教授和陈云飞教授,共同作者包括机械工程学院研究生蔺卡宾张士昭、于弘扬、易浩杰莫景文副教授。

这项研究工作得到国家自然科学基金委江苏省微纳生物医疗与器械设计与制造实验室等的支持。