课程大纲
COURSE SYLLABUS
1.
课程代码/名称
Course Code/Title
MAE5027 界面现象
Interfacial Phenomena
2.
课程性质
Compulsory/Elective
专业选修 Major Elective Courses
3.
课程学分/学时
Course Credit/Hours
3 学分，48 学时
3 Course Credits/48 Hours
4.
授课语言
Teaching Language
中英文 Chinese and English
5.
授课教师
Instructor(s)
邓巍巍 教授
力学与航空航天工程系
dengww@sustech.edu.cn
Weiwei Deng, Professor
Department of Mechanics and Aerospace Engineering
dengww@sustech.edu.cn
6.
是否面向本科生开放
Open to undergraduates
or not
是
Yes
7.
先修要求
Pre-requisites
PHY105A 大学物理 A(下) 或者 PHY102B 大学物理 B(下)
College Physics
8.
教学目标
Course Objectives
本课程介绍在物质界面的作用力和独特现象，以及界面现象的理论分析和实验方法。知识点包括：表
面张力，润湿，反润湿，斥水，毛细折纸，接触线动力学，长程力，薄液膜的流体力学，表面活性
剂，Janus 颗粒，有纹理或柔软表面的润湿，以及表面张力梯度引起的流动。学生将应用学习到的概
念针对不同问题建立模型或构造实验来分析。本课程将训练在跨学科研究和实际工程应用背景下分析
和解决界面现象问题的能力。
T h e o b j e c t i v e o f t h i s c o u r s e i s t o i n t r o d u c e
s t u d e n t s t o t h e f o r c e s a n d u n i q u e p h e n o m e n a
t h a t o c c u r a t i n t e r f a c e s . T h i s c o u r s e w i l l
a l s o i n t r o d u c e a n a l y t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l
m e t h o d s f o r p h y s i c a l p r o c e s s a n d p h e n o m e n a
d o m i n a n t l y i n f l u e n c e d b y i n t e r f a c i a l
t e n s i o n . T o p i c s c o v e r e d i n t h e c o u r s e
i n c l u d e : S u r f a c e T e n s i o n , W e t t i n g ,
D e w e t t i n g , W a t e r - r e p e l l e n c y , C a p i l l a r y
O r i g a m i , C o n t a c t L i n e D y n a m i c s , L o n g - R a n g e
F o r c e s , F l u i d D y n a m i c s o f L i q u i d T h i n F i l m s ,
S u r f a c t a n t s , J a n u s P a r t i c l e s , W e t t i n g o f
T e x t u r e d a n d S o f t S u r f a c e s , a n d F l o w i n d u c e d
b y S u r f a c e T e n s i o n G r a d i e n t ( M a r a n g o n i
F l o w s ) . S t u d e n t s w i l l w o r k t o f o r m u l a t e t h e
a n a l y t i c a l m o d e l s a n d d e s i g n e x p e r i m e n t s t o
u n d e r s t a n d i n t e r f a c i a l p h e n o m e n a t h r o u g h t h e
a p p l i c a t i o n o f t h e s e c o n c e p t s . S t u d e n t s w i l l
a l s o d e v e l o p t h e p r o b l e m - s o l v i n g s k i l l s
e s s e n t i a l t o g o o d e n g i n e e r i n g p r a c t i c e o f
i n t e r f a c i a l p h e n o m e n a i n c r o s s - d i s c i p l i n a r y
r e s e a r c h a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s .
9.
教学方法
Teaching Methods
教学方法：课堂讲授、多媒体演示、课堂实验演示、实验室观摩和实际操作等教学环节。
Teaching Methods: class lecture, multimedia demo, in-class demo of experiments, lab tour and hands-on
experience.
10.
教学内容
Course Contents
第一周：表面张力和可变形的界面（4 课时）
第二周：毛细现象和重力（2 课时）
第三周：三相接触线的迟滞和弹性（4 课时）
第四周：润湿和长程力（2 课时）
第五周：界面的流体动力学 I（4 课时）
第六周：界面的流体动力学 II（2 课时）
第七周：界面输运现象（4 课时）
第八周：反润湿 I（2 课时）
第九周：反润湿 II（4 课时）
第十周：表面活性剂 I（2 课时）
第十一周：表面活性剂 II（4 课时）
第十二周：Janus 颗粒（2 课时）
第十三周：三相接触线动力学（4 课时）
第十四周：特殊界面 I（2 课时）
第十五周：特殊界面 II（4 课时）
第十六周：期末报告（2 课时）
Week 1: Surface Tension and Deformable Interfaces (4 hr)
S u r f a c e T e n s i o n ; M e a s u r e m e n t s o f S u r f a c e
T e n s i o n s ; L a p l a c e P r e s s u r e ; M i n i m a l S u r f a c e s
W i t h Z e r o C u r v a t u r e ; C o n t a c t B e t w e e n T h r e e
P h a s e s : W e t t i n g , T h e S p r e a d i n g P a r a m e t e r ,
W e t t i n g C r i t e r i a : Z i s m a n ’s R u l e .
Week 2: Capillarity and Gravity (2 hr)
C a p i l l a r y L e n g t h ; S h a p e o f D r o p s ;
E x p e r i m e n t a l T e c h n i q u e s f o r C h a r a c t e r i z i n g
D r o p s ; M e n i s c u s F a c i n g a V e r t i c a l P l a t e a n d
o n a V e r t i c a l F i b e r ; C a p i l l a r y R i s e ;
F l o a t i n g L e n s e s ; S o f t S o l i d I n t e r f a c e s .
Week 3: Hysteresis and Elasticity of Triple Lines (4 hr)
A d v a n c i n g a n d R e c e d i n g A n g l e ; P i n n i n g o f t h e
T r i p l e L i n e ; E l a s t i c i t y o f t h e T r i p l e L i n e ;
H y s t e r e s i s D u e t o S t r o n g , S p a r s e D e f e c t s ;
S u r f a c e s W i t h D e n s e D e f e c t s ; H e l e - S h a w
C e l l s .
Week 4: Wetting and Long-Range Forces (2 hr)
E n e r g y a n d P r o p e r t i e s o f F i l m s ; T h i c k n e s s
C h a n g e a n d D i s j o i n i n g P r e s s u r e ; S t r e s s i n a
F i l m ; T h r e e T y p e s o f W e t t i n g ; N a t u r e a n d
M a n i f e s t a t i o n s o f L o n g - R a n g e F o r c e s ; T h e
H e a l i n g L e n g t h ; F i n e S t r u c t u r e o f t h e T r i p l e
L i n e
Week 5: Fluid Dynamics of Interfaces, Part I (4 hr)
T h e L u b r i c a t i o n A p p r o x i m a t i o n ; D y n a m i c s o f
T h i n F i l m s ; T h i n n i n g o f a V e r t i c a l F i l m ;
L e v e l l i n g o f a H o r i z o n t a l F i l m ; R a y l e i g h -
T a y l o r I n s t a b i l i t y ; P l a t e a u - R a y l e i g h
I n s t a b i l i t y .
Week 6: Fluid Dynamics of Interfaces, Part II (2 hr)
F o r c e d W e t t i n g ; T h e L a n d a u - L e v i c h - D e r j a g u i n
M o d e l ; D y n a m i c s o f I m p r e g n a t i o n ; W a s h b u r n ’s
L a w ; W a v e s a n d R i p p l e s ; D e e p W a t e r
C o n d i t i o n ; D i s p e r s i o n R e l a t i o n i n t h e
I n e r t i a l R e g i m e ; A t t e n u a t i o n .
Week 7: Interfacial Transport Phenomena (4 hr)
C h e m i c a l G r a d i e n t s ; T h e r m a l G r a d i e n t s ;
M a r a n g o n i F l o w s ; F i n g e r F o r m a t i o n ; R e a c t i v e
W e t t i n g ; B i d r o p s ; “R u n n i n g D r o p s ” o n a S o l i d
P l a n a r S u r f a c e ; T r a n s p o r t b y E l e c t r i c F i e l d ;
R e l e v a n c e o f M i c r o s y s t e m s ;
E l e c t r o c a p i l l a r i t y ; E l e c t r o - O s m o s i s ;
E l e c t r o s t a t i c L e n s e s ; T r a n s f e r o f B u b b l e s .
Week 8: Dewetting, Part I (2 hr)
F i l m a n d C r i t i c a l T h i c k n e s s f o r D e w e t t i n g ;
V i s c o u s D e w e t t i n g ; I d e a l / I m p e r f e c t S o l i d
S u b s t r a t e s ; S u r f a c e s W i t h H y s t e r e s i s ;
“S l i p p e r y ” S u b s t r a t e s ; L i q u i d S u b s t r a t e s ;
S p i n o d a l D e w e t t i n g
Week 9: Dewetting, Part II (4 hr)
I n e r t i a l D e w e t t i n g ; D i m e n s i o n l e s s N u m b e r s
( R e a n d F r ) ; L i q u i d / L i q u i d I n e r t i a l
D e w e t t i n g ; V i s c o - E l a s t i c D e w e t t i n g ; R u p t u r e
o f U l t r a - V i s c o u s F i l m s ; L i f e a n d D e a t h o f
V i s c o u s B u b b l e s .
Week 10: Surfactants, Part I (2 hr)
F r u s t r a t e d P a i r s ; H y d r o p h i l i c / L i p o p h i l i c
B a l a n c e ( H L B ) ; A g g r e g a t i o n o f S u r f a c t a n t s ;
A g g r e g a t i o n i n V o l u m e : M i c e l l e s ; W a t e r / A i r
I n t e r f a c e s ; I n s o l u b l e M o n o l a y e r s ; S o l u b l e
M o n o l a y e r s ; D y n a m i c a l S u r f a c e T e n s i o n s
Week 11: Surfactants, Part II (4 hr)
A p p l i c a t i o n s o f S u r f a c t a n t s : F l o t a t i o n ,
D e t e r g e n t s , E m u l s i f i c a t i o n , W e t t i n g a n d
D e w e t t i n g A g e n t s ; S o a p F i l m s a n d B u b b l e s ;
D r a i n i n g M e c h a n i s m s ; A g i n g a n d D e a t h o f
F i l m s .
Week 12: Janus Particles (2 hr)
J a n u s P a r t i c l e s a s P a r t i c u l a t e S u r f a c t a n t s ;
A p p l i c a t i o n s : P i c k e r i n g E m u l s i f i c a t i o n ;
M u l t i c o l o r e d V o x e l s f o r D i s p l a y s ;
C o m p a r t m e n t a l i z e d M i c r o r e a c t o r s a s
A r t i f i c i a l C e l l M i m i c s ; S t e e r a b l e
M i c r o s w i m m e r s f o r T a r g e t e d C a r g o D e l i v e r y ;
S y n t h e s i s o f J a n u s P a r t i c l e s : O n - c h i p
M i c r o f l u i d i c s , I n A i r M i c r o f l u i d i c s , a n d
E l e c t r o s p r a y .
Week 13: Dynamics of the Triple Line (4 hr)
R e l a t i o n B e t w e e n F o r c e a n d V e l o c i t y ; V i s c o u s
D i s s i p a t i o n M o d e l ; C h e m i c a l M o d e l ;
O s c i l l a t i o n s M o d e s o f a T r i p l e L i n e ;
D y n a m i c s o f T o t a l W e t t i n g
Week 14: Special Interfaces, Part I (2 hr)
W e t t i n g o f T e x t u r e d S u r f a c e s ; W e n z e l ’ s a n d
C a s s i e - B a x t e r M o d e l ; C o m p o s i t e R o u g h
S u r f a c e s ; H y d r o p h i l i c S u r f a c e s ; H y d r o p h o b i c
S u r f a c e s ; W e t t i n g a n d P o r o u s M e d i a .
L e v i t a t i n g D r o p o n V i b r a t i n g B a t h s ; Q u a n t u m
A n a l o g y : D o u b l e S l i t I n t e r f e r e n c e a n d
T u n n e l i n g E f f e c t ; F a r a d a y W a v e .
Week 15: Special Interfaces, Part II (4 hr)
W e t t i n g a t S o f t I n t e r f a c e s ; “E l a s t i c ”
W e t t i n g ; R e f l e c t i o n I n t e r f e r e n c e C o n t r a s t
M i c r o s c o p y ; D r o p P r o f i l e a n d M e a s u r e m e n t ;
“E l a s t i c ” D e w e t t i n g o f W e d g e d - i n F i l m s ;
D r a i n a g e ; C o n t r o l l e d D e w e t t i n g : N u c l e a t o r s
a n d C e r e n k o v W a k e ; W e t t i n g T r a n s i t i o n s U n d e r
S h e a r .
Week 16: Final Presentation (2 hr)
11.
课程考核
Course Assessment
（
○
1
考核形式 Form of examination；
○
2
.分数构成 grading policy；
○
3
如面向本科生开放，请注明区分内容。
If the course is open to undergraduates, please indicate the difference.）
1. 考查/no final exam
2.课程项目/Projects: 40%
平时作业/Assignments: 20%
期末报告/Final Presentation: 40%
3.There is no difference between undergraduate and graduate students.
12.
教材及其它参考资料
Textbook and Supplementary Readings
参考书（Reference）：
1. Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves. De Gennes P G, Brochard-Wyart F, Quéré D.
Springer, 2013
2. An Introduction to Interfaces & Colloids: The Bridge to Nanoscience, John C. Berg, World Scientific, 2010 (界面和
胶体理论，世界图书出版公司，影印版)
补充阅读（
Supplementary Readings
）
:
MIT OpenCourse: Interfacial Phenomena, by John W. M. Bush
https://ocw.mit.edu/courses/mathematics/18-357-interfacial-phenomena-fall-2010/index.htm
