液滴蒸发动力学研究
2018-03-26
 
液滴蒸发虽然是普通的生活现象,却是一个复杂的科学问题,比如聚丙二醇和水混合液滴在玻璃板上的自发无规则运动、液滴蒸发后残留溶质形成的丰富图案等等。如何控制液滴运动的方向和残留溶质图案的形状不仅是工业制造上的关键技术问题之一,而且还是物理、化学、材料等多学科交叉的一个重要科学问题。对液滴蒸发的研究在微流体器件制造、表面自清洁技术、喷墨打印技术、控制热传导等很多方面上有着广泛应用。然而到目前为止,对此类问题物理机制的理解还停留在初级阶段。
北京航空航天大学物理学院满兴坤副教授和土井正男教授基于 Onsager 变分原理,提出了适用于研究液滴蒸发的动力学模型,不仅成功解释了残留溶质在衬底上的各种图案形成的机理,而且还阐明了如何控制液滴运动方向的物理机制。该理论方法的优点在于可以用一阶动力学方程,而不是传统高阶 Navier-Stokes 方程来描述复杂流体力学问题,使得理论结果更能反应出问题的物理本质。液滴蒸发动力学研究的系列工作连续发表在物理领域顶级期刊《Phys. Rev. Lett.》上。
理论研究指明,液滴会从蒸发速率快的一侧移动到蒸发速率慢的一侧、会从表面张力小的一侧移动到表面张力大的一侧。当蒸发速率和表面张力同时起作用时,液滴则会表现出吸引、排斥、追赶等复杂运动现象。当两个液滴相互靠近时,两液滴之间区域的蒸汽浓度大于两液滴之外区域的蒸汽浓度,使得液滴蒸发速率轴对称性破缺,产生蒸发速率梯度,进而驱动液滴运动,为控制液滴运动的方向提出了新的思路。
对于单个液滴沉积图案,研究结果表明,可以通过调控液滴接触线在衬底上的滑移能力和液滴蒸发速率大小,来实现沉积图案从“咖啡环”到“火山状”再到“山状”结构的连续变化。当接触线几乎不动时,蒸发导致的液滴内部流场把溶质带到接触线附近沉积而形成“咖啡环”图案;相反,当接触线可以自由滑移时,液滴内部流体流向中心,以至于大部分的溶质在中心沉积而形成“山状”图案;当接触线滑移能力介于自由和不动之间时,接触线与溶质同时向中心运动并在某一时刻相遇,导致溶质在液滴中间成环而形成“火山状”沉积图案。
我们还研究了两相邻液滴蒸发后残留溶质在衬底的非对称环状图案。通过引入两液滴相互作用机制,我们把之前单液滴蒸发动力学模型扩展到两液滴的情况。研究结果表明,两个液滴之间的蒸发速率梯度是形成非对称沉积图案的主要原因,即非对称蒸发速率使得溶质粒子的速度不再具有轴对称性。通过控制非对称蒸发速率梯度的大小和接触线在衬底的滑移能力,理论上预测了获得扇形和月食形沉积图案的实验条件。
 
 
 
1 蒸发速率梯度效应:液滴从蒸发速率快的一侧移动到蒸发速率慢的一侧。两个水滴自发靠近对方运动的示意图。
 
 
 
2 液滴蒸发沉积图案连续的从“咖啡环”到“火山状”再到“山状”结构的变化。
 
 
 
3 两相邻液滴蒸发所形成非对称环状残留物结构。
 
 
满兴坤,物理科学与核能工程学院,副教授,软物质物理及其应用研究中心,E-mail: manxk@buaa.edu.cn
土井正男,物理科学与核能工程学院,教授,软物质物理及其应用研究中心,外专千人,E-mail: Masao.doi@buaa.edu.cn
 
参考文献
[1]Xingkun Man, Masao Doi, Vapor-Induced Motion of Liquid Droplets on an Inert Substrate, Phys. Rev. Lett. 119, 044502 (2017).
[2]Shiyuan Hu, Yuhan Wang, Xingkun Man*, Masao Doi, Deposition Patterns of Two Neighboring Droplets: Onsager Variational Principle Studies, Langmuir 33, 5965 (2017).
[3]Xingkun Man, Masao Doi, Ring to Mountain Transition in Deposition Pattern of Drying Droplets, Phys. Rev. Lett. 116, 066101 (2016).