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液滴的故事——对话软物质物理研究中心满兴坤老师

导语:

   近日,北航物理学院满兴坤副教授和外专千人土井正男(Masao Doi)教授合作,揭示了非均匀蒸发速率引起液滴运动的新机制。相关研究成果以“Vapor-Induced Motion of Liquid Droplets on an Inert Substrate”为题发表于《物理评论快报》。

 

结缘软物质物理

   

   满兴坤老师在加州大学圣芭芭拉分校做博士后时遇到了正在卡弗里理论物理所访问的高分子领域著名学者土井正男教授,得知教授将来北航创建软物质物理研究中心的想法,2013年10月,满老师便跟随土井正男教授加入了北航软物质物理研究中心。在高分子物理领域,满兴坤老师读的第一本书便是土井正男教授所著的《Introduction to Polymer Physics》,中心许多老师也都是从学习土井正男教授的书开始进入该领域,因此平日里能够很自然的与土井教授进行探讨和合作。如此,满兴坤老师便与软物质物理结缘,开始对液滴运动的研究。

 

满兴坤老师与土井正男教授

 

初探液滴运动

   一滴咖啡滴在盘子上,水分蒸发完后非挥发性溶质会在衬底上形成各种环状结构,如咖啡环、火山、山型、多环状结构等等。这是一种生活中常见的现象,但一直没有一个较完整的理论提出控制残留物结构的物理机制,而有关液滴蒸发的应用却数不胜数,如高质量的喷墨打印就离不开对碳粉溶液蒸发残留物在纸张上形成结构机理的研究,如何减少雨天行驶汽车前挡风玻璃上积蓄的雨滴也与之密切相关等等。

液滴蒸发示意图与咖啡渍

 

   满兴坤老师与土井正男教授早在2016年就已经针对液滴蒸发的动力学过程合作发文,首次揭示了液滴蒸发残留物结构从“咖啡环”到“火山状”再到“山状”转变的物理机制。该研究成果为液滴蒸发残留物结构这一复杂问题建立了普适的理论模型,并为喷墨打印技术在工业的应用提供直接的理论分析依据。

 

2016PRL-残留物质结构

 

简化理论模型

 

   三十多年前,土井正男教授意识到可以通过建立含有耗散函数和自由能随时间变化函数的瑞利函数,对其中相关变量变分即可得到所关心的软物质体系的动力学演化方程。但当时他并未意识到该方法的普适性,直到2013年他在《Soft Matter Physics》出版后发现流体力学中的大部分动力学方程都可以用该方法得到,进而认识到该方法在研究动力学问题的普适性。其优点在于可以用一阶的动力学演化方程而不是传统的高阶微分方程来研究复杂的流体力学问题,能够从中更为直接的看到数学方程背后隐藏的物理机理,从而抓住事物本质。

 

   基于这一原理,满兴坤老师和土井正男教授提出了液滴运动方程,首次给出了非均匀蒸发速率和表面张力诱导液滴运动的物理机制。理论结果指出:液滴会从蒸发速率快的一侧移动到蒸发速率慢的一侧和会从表面张力小的一侧移动到表面张力大的一侧。当两者同时起作用时,液滴则会表现出吸引、排斥、追赶等复杂运动现象。

 

2017PRL-液滴运动

 

结语:

   满兴坤老师的课题组正与实验课题组合作,通过相关液滴实验发现实验结果与理论吻合较好,从实践验证了由蒸发梯度驱动液滴运动的物理机制。该研究成果为控制液滴运动方向和表面浸润性等提供了全新的理论指导,对表面改性、靶向药物输运等问题的研究都能起到推动作用。近期满老师课题组又完成了对多环结构的研究,目前正在撰写文章。“以前我作报告时幻灯片上都有四种不同环状结构的示意图,但每次只讲前三张,这次终于收集到了第四种,像集满集邮册一样,非常高兴”,满兴坤教授在采访中说。            

 

相关链接

物理科学与核能工程学院综合新闻 http://physics.buaa.edu.cn/zhxw2/101043.htm

果壳网 奔跑的液滴 https://www.guokr.com/article/441058/?f=wx  

 

策划/文案:曹嘉辉

采访:谭莉莎、曹嘉辉、李明珠

设计:杨智涵

技术:曹嘉辉

鸣谢:物理学院、软物质物理研究中心

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn