纳米孔在水浸润过程中的变形动力学

纳米多孔固体中毛细驱动输运在自然界中广泛存在，并对现代注液工程材料至关重要。在浸润过程中，由高负拉普拉斯压力驱动的弯曲弯月面对多孔基体施加巨大的收缩载荷。由于同时以高空间分辨率监测浸润与变形的挑战，固体弹性与液体毛细作用的耦合在很大程度上仍未被探索。在此，我们利用光学成像、重量分析和高压膨胀法研究介孔二氧化硅中的水浸润。与预期的拉普拉斯压力诱导收缩相反，我们发现随时间平方根的膨胀，以及当弯月面到达顶表面时的额外突兀长度增加。当我们在动态浸润-蒸发平衡中使浸润前沿停止于多孔介质内部时——正如植物（尤其是树木）中蒸腾驱动液压输运的典型情况——最终膨胀消失。这些特殊的变形行为通过单纳米孔分子动力学模拟得到验证，并由一个连续介质模型描述，该模型强调了孔壁处膨胀表面应力（Bangham效应）的重要性，以及当弯月面集体推进、停滞或消失时收缩拉普拉斯压力的积聚或释放。我们的模型表明，这些观察适用于纳米孔中的任何浸润过程，与液体/固体组合无关，并且由于与黏性流动相关的线性压力降，浸润时的拉普拉斯贡献恰好为蒸气吸附的一半。因此，简单的变形测量可用于量化各种自然和人工多孔介质中的表面应力、拉普拉斯压力或输运。