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本文首次系统揭示了纳米液滴（~10 nm）在高速（>100 m/s）撞击固体界面时独特的单峰型冲击力特征，该特征与毫米级液滴的双峰力曲线截然不同。研究通过分子动力学模拟发现，纳米尺度的强黏性效应抑制了液滴回缩阶段的二次力峰，而马赫数相关的水锤压力导致冲击力异常升高，峰值可达液滴重力的1010倍以上。研究成果为极紫外光刻和纳米打印等技术中界面损伤控制提供了关键理论依据。
纳米液滴作为纳米世界中物质与信息的基本载体，在材料科学与纳米技术领域扮演着关键角色。当纳米液滴以每秒数百米的高速撞击固体界面时，其产生的冲击力特性却长期处于认知空白。本研究通过分子动力学模拟，首次揭示了纳米液滴撞击力的独特物理规律，为理解纳米尺度界面相互作用提供了新视角。
研究方法与模拟体系
采用大尺度原子分子并行模拟器开展分子动力学模拟，使用单原子水模型描述水分子间相互作用。纳米液滴直径设定为6-14纳米，撞击速度覆盖100-2500米/秒范围，韦伯数和雷诺数分别表征惯性力与表面张力、黏性应力的比值。通过调节铂基底与水分子的相互作用参数，实现了从亲水到超疏水的不同表面润湿性控制。
独特的单峰冲击力特征
研究发现，纳米液滴冲击力随时间演化呈现单一峰值特征，与毫米级液滴的双峰力曲线形成鲜明对比。在无量纲时间t*≈0.2时冲击力达到峰值，该时间点对应液滴侧壁与基底接近垂直的形态特征。尤为重要的是，这种单峰特征与表面润湿性无关，在亲水、疏水和超疏水表面上均保持一致，这是纳米液滴区别于宏观液滴的显著特点。
消失的二次力峰机制
通过对比宏观与纳米液滴的回缩过程，发现纳米尺度的强黏性效应是导致二次力峰消失的关键原因。纳米液滴的奥内佐格数高达0.35，比毫米级液滴高出两个数量级，使得速度梯度遍布整个液滴内部。黏性耗散分析表明，纳米液滴在铺展和回缩阶段的能量耗散分别比宏观液滴增加70%和36.8%，导致回缩速度恢复系数显著降低至0.15，无法形成液膜碰撞和向上射流，从而抑制了二次力峰的产生。
水锤压力主导的力值异常升高
纳米液滴冲击力的上升阶段遵循β幂律，且β值随韦伯数增加而显著增大，远超宏观液滴的1.5上限。应力分布显示，撞击界面处的压力可达109帕量级，接近水锤压力ρc0U0的量级。这是由于纳米液滴撞击的马赫数达到0.1-1.0范围，引发显著的压缩性效应。密度场分析进一步证实了液滴底部存在高密度区域，这是水锤压力的典型特征。
峰值力的标度律预测
基于水锤压力与动态压力的叠加效应，建立了峰值力与马赫数的标度关系：Fpeak*= k + b/Ma，其中k=0.94对应惯性主导项，b=0.034反映水锤压力贡献。该模型成功预测了不同工况下的峰值力变化规律，显示无量纲峰值力随马赫数增加而线性减小。峰值力的出现时间恒定在tpeak*=0.24±0.06，与液滴动能主导的铺展阶段持续时间一致。
研究意义与展望
该研究揭示了纳米液滴冲击力的独特规律，突破了传统宏观液滴冲击力的认知框架。发现的高应力（~1 GPa）对理解纳米级界面损伤机制具有重要意义，为极紫外光刻中光学元件防护、纳米打印中基底变形控制等关键技术提供了理论指导。未来研究可进一步探索液体组分和表面微结构对冲击力的调控机制，推动纳米精度制造技术的发展。
