在過(guò)去的二十年里，液滴蒸發(fā)中的微流動(dòng)和顆粒沉積引起了科學(xué)家極大的研究興趣，這既因?yàn)檎舭l(fā)過(guò)程中蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)現(xiàn)象，例如常見(jiàn)的“咖啡環(huán)效應(yīng)”，又由于其在綠色印刷、微納器件制備、疾病診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，作為人體體液等復(fù)雜體系的一種簡(jiǎn)單模型，研究膠體液滴的操控、蒸發(fā)及顆粒沉積，可為未來(lái)空間探索任務(wù)中的復(fù)雜流體管理、資源再生與利用、宇航員生理狀況監(jiān)測(cè)等提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。然而，蒸發(fā)中的膠體液滴是一個(gè)高度非平衡體系，存在復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)和能量交換過(guò)程，顆粒沉積理論仍不完善，這大大限制了其應(yīng)用。
圖1 空間中膠體液滴的注射、分離及振蕩
近期，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王育人團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間中膠體液滴操控及液滴內(nèi)顆粒沉積動(dòng)力學(xué)的研究取得新進(jìn)展。一是基于實(shí)踐十號(hào)（SJ-10）衛(wèi)星提供的高水平微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集成表面浸潤(rùn)性修飾、復(fù)雜流體均勻分散等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展了一套空間復(fù)雜流體管理系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了膠體液滴在太空的生成和操控。
圖2 咖啡環(huán)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)中典型干區(qū)的形成機(jī)制
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Langmuir (W. Li, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018, DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00219)及Microgravity Sci. Technol. (W. Li, D. Lan, Z. Sun, B. Geng, X. Wang, W. Tian, G. Zhai and Y. Wang, 2016, DOI: 10.1007/s12217-016-9497-6)上，并授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。
圖3 氣液界面收縮（A）、重力沉降（B）和毛細(xì)補(bǔ)償流（C）的協(xié)同和競(jìng)爭(zhēng)共同決定沉積圖案形貌
二是首次在咖啡環(huán)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了二維網(wǎng)絡(luò)狀圖案，提出去浸潤(rùn)和顆粒組裝之間的相互耦合機(jī)制是決定沉積結(jié)構(gòu)的主要原因。通過(guò)進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)重力沉降、氣液界面收縮及毛細(xì)補(bǔ)償流在蒸發(fā)不同階段的相互協(xié)同和競(jìng)爭(zhēng)共同影響了顆粒的聚集狀態(tài)，提出了正置和倒置液滴中顆粒運(yùn)動(dòng)的追擊和相遇機(jī)制。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Langmuir (W. Li, W. Ji, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018, DOI：10.1021/acs.langmuir.8b02659, 被期刊選為補(bǔ)充封面)及Physical Review E (W. Li, D. Lan, and Y. Wang, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042607)上。
圖4 多物理效應(yīng)的協(xié)同和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制
上述研究為空間復(fù)雜流體的管控提供了方案，深化了對(duì)顆粒沉積動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，對(duì)沉積圖案的調(diào)控及新型微納功能材料的制備具有重要的指導(dǎo)意義。以上工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。
（文章來(lái)源:中科院力學(xué)所 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）