厦门大学吴晨旭教授课题组在外电场调控液滴在界面的物理行为和液晶悬浮体系方面取得重要进展-厦门大学物理学系

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厦门大学吴晨旭教授课题组在外电场调控液滴在界面的物理行为和液晶悬浮体系方面取得重要进展

近期，厦门大学物理学系吴晨旭教授课题组系统地研究了外电场如何调控液滴在界面的物理行为，分别揭示了在电场驱动下，液滴在平面的铺展动力学、在粗糙界面的浸润态转变和在曲面上的弹跳等物理现象的机制；在液晶悬浮体系方面发现了液晶悬浮颗粒的类Freedericksz相变。

液滴在超疏水表面的润湿行为引起了学术界的广泛关注和研究，调控液滴的润湿行为在工业上对设计具有自清洁、软式印刷、新型数字微流控设备、快速光学成像设备等具有广泛的实际应用前景。电介质上的电润湿现象描述的是电场对电介质上液滴的润湿行为的影响，是一项重要的操控液滴的通用技术。虽然已有大量实验研究电润湿现象，但是从理论的角度研究外电场如何调控液滴在界面的物理行为相对甚少。

针对电场驱动的液滴在平面上的铺展现象，课题组成功地构建了可以导出Navier-Stokes方程的系统能量泛函，并利用Onsager变分原理成功地推导出了在过阻尼和欠阻尼情况下液滴的铺展动力学方程，并研究了液滴的大小、粘滞系数和电压对该动力学过程的特征时间的影响，非常完美地解释了实验结果。

图1. 液滴铺展过程中（a）底部接触半径和（b）接触线速度随时间的变化，并与实验数据进行对比。

为了探究外电场是如何诱导液滴在粗糙表面上发生的浸润态转变，课题组建立了一个液滴在粗糙表面上的电润湿的热力学模型来确定诱导浸润态转变的临界电浸润数；研究了圆柱和圆孔排列的粗糙表面上粗糙度和液滴体积对临界电浸润数的影响，并给出了相应参数空间的三维相图。此外，课题组探究了在外电场的诱导下，液滴在曲面上发生弹跳的物理机制。解析地推导出了在电润湿诱导下液滴在疏水曲面上发生弹跳的临界条件,并给出了不同参数与临界条件之间的二维相图。推导出的临界条件给出了一个一般的且是定量的公式来预测在什么情况下液滴的弹跳可以发生，并让我们可以更清楚的了解该如何精准地调控液滴在曲面上的弹跳。

课题组还发现了液晶悬浮颗粒体系的位置类Freedericksz相变，得到了与液晶Freedericksz相变相似的依赖公式。

课题组近年发表的主要论文：

1.Ke Xiao and Chen-Xu Wu*, Physical Review E 105(6), 064609 (2022).

2.Ke Xiao, Xi Chen and Chen-Xu Wu*, Physical Review Research 3, 033277 (2021).

3.Ke Xiao and Chen-Xu Wu* , Journal of Applied Physics 129, 234701 (2021).

4.Xue-Zheng Cao*, Holger Merlitz, Chen-Xu Wu, and M. Gregory Forest, Physical Review E 103, 052501(2021).

5.Ke Xiao and Chen-Xu Wu*, book chapter of Frontiers and Progress of Current Soft Matter Research (Springer, 2021), 323-352（2021）.

6.Zilong Guo et al., Chen-Xu Wu*, and Hu Chen*, Physical Review Letters 125, 198101 (2020).

7.Ke Xiao, Xuezheng Cao, Xi Chen, Hanzi Hu, and Chenxu Wu*, J. Appl. Phys. 128, 064701 (2020).

8.Ke Xiao, Xi Chen, Xue-Zheng Cao and Chen-Xu Wu*, Physical Review E 101 052706 (2020).

9.Xuezheng Cao*, Holger Merlitz, and Chen-Xu Wu*, J. Phys. Chem. Lett. 11, 710-715 (2020).

10.Ke Xiao, Xi Chen, and Chen-Xu Wu*, Physical Review Research, 1, 033041 (2019).

主要作者简介：

肖克，博士，生物物理和软凝聚态专业。2017年至2021年就读于厦门大学物理系，导师吴晨旭教授，目前国科大博士后，已获理论物理专款基金资助项目。

目前研究方向：胶体颗粒在液晶体系中的相互作用，细胞膜与纳米材料的相互作用，液滴在界面物理现象的理论研究。

合作导师：吴晨旭

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