蒸发的液滴: 大自然的一扇窗

液滴蒸发呈现给研究者不计其数的有趣现象，背后也隐藏着未知奥秘。

近日，西北工业大学理学院臧渡洋教授与印度、俄罗斯合作者共同在物理学顶级刊物Physics Reports（影响因子20.099，中科院JCR一区top期刊）发表了题为”Evaporation of a Droplet: From physics to applications”的56页篇幅的长篇综述。西工大为该文的第一作者和通讯作者单位。据悉，这是该刊物发表的首篇液滴蒸发领域的论文。

液滴蒸发，一个简单的日常现象，却在喷涂、喷墨打印、农药喷洒、新材料制备等方面都扮演着重要的角色。含有不易挥发性物质的液滴在蒸发后会留下各种各样的沉积图案。利用液滴的蒸发来驱动溶解或分散于液滴中的物质进行排列，这为微纳米颗粒自组装提供了新方法，从而广泛应用于功能材料的制备，例如胶体晶体、二维超晶格、柔性电子材料。从咖啡环效应，到蒸发壳层形成、蒸发裂纹扩展，再到蒸发自组装，液滴蒸发呈现给研究者不计其数的有趣现象，背后也隐藏着引人入胜的未知奥秘。

液滴蒸发所形成的复杂图案

尽管在大自然中司空见惯，液滴蒸发却是一个典型的跨尺度和非线性问题。微观尺度的热力学驱动引发宏观尺度的力学效应，比如引起液滴毛细流动或Marangoni流动。同时，蒸发过程时常伴随着凝胶化转变、结晶等相变过程，而相变与力学耦合会产生一系列失稳现象，比如褶皱、裂纹。因此，接触线移动、液滴内部流动、相变、失稳等多种因素共同作用，最终诱导形成有趣而复杂的蒸发图案。在过去的几十年里，研究人员对液滴蒸发的“咖啡环效应”及其调控、蒸发裂纹、液滴内部流动、接触线动力学等方面进行了大量的研究。然而，关于液滴蒸发所引起的传质过程及其图案形成机制，仍缺乏深刻的理论描述。深入认识液滴蒸发，需要热力学、表面科学、力学等多学科的协作和交叉融合。

液滴蒸发所形成的辐射状裂纹图案

液滴蒸发所形成的正弦波裂纹和螺旋状裂纹图案

基于此，该综述文章介绍了液滴蒸发中所涉及到的各种重要作用力和特征长度，探讨了蒸发驱动的相变及液滴中的流动（包括自然对流、毛细流动、Marangoni流动），综述了蒸发沉积图案的影响因素及其调控方法，例如在液滴中加入表面活性剂、高分子化合物对沉积图案的影响。该文还对液滴表面壳层的形成和蒸发裂纹的图案进行了讨论，阐述了施加了外加电场或磁场，加入盐以及改变基底的润湿情况和温度时对裂纹形貌的影响。在此基础上，总结了液滴蒸发在物理、化学、材料科学、生物医学等领域中的应用及最新进展。最后，文章为该领域潜在的未来研究方向提出了建议，包括：

1. 1. 液滴在外场中的蒸发，比如利用声悬浮技术克服咖啡环效应。

2. 2. 生物质液滴（biological droplets）的蒸发。比如通过血液蒸发图案进行疾病诊断；根据白酒或茶水（微生物、蛋白质）蒸发图案发展出简单且高效的品质检验的新技术。

3. 3. 活性胶体（active colloids）的蒸发。

4. 4. 在空间站中的蒸发，探索长期微重力作用对液滴内部流动及传质作用的影响。

5. 5. 液滴蒸发作为研究复杂性科学的模型，为探索分形、分叉、混沌等非线性现象提供理想的实验平台。

小小的液滴为研究人员提供了一个多彩的舞台，吸引了越来越多的软物质物理、力学及材料领域的学者们置身其中，乐此不疲。蒸发着的液滴，是大自然开给人类的一扇窗，透过它，来自不同领域的学者会发现更多大自然的奥秘。

血液液滴蒸发图案

Physics Reports 是物理科学最具影响力的国际期刊之一，最新SCI影响因子为20.099。该刊每期只发表一篇论文，由杂志编委邀约在各研究方向做出突出贡献的专家学者撰稿，对相关领域的发展具有重要的引领和指导作用。

课题组简介

臧渡洋教授课题组长期致力于复杂流体与软物质物理研究，主要研究兴趣包括： 液滴动力学及其操纵、润湿与毛细现象、复杂流体界面的物理力学、 软物质体系中的输运及相变、复杂流体与软物质新实验方法。课题组近年来在Physics Reports、Nature Communications、Physical Review Fluids、Soft Matter、Langmuir等著名期刊发表了学术论文60余篇，多名研究生获得国家奖学金、入选基金委中外联合培养博士生项目。臧渡洋教授现担任软物质领域代表性期刊之一Eur. Phys. J. E编委。

臧渡洋教授课题组招收具有物理、力学或材料等学科背景的优秀硕士、博士和博士后，有意者请咨询并发送简历至邮箱：dyzang@nwpu.edu.cn。

该论文的作者为Duyang Zang, Sujata Tarafdar, Yuri Yu. Tarasevich, Moutushi Dutta Choudhury, Tapati Dutta

Evaporation of a Droplet: From physics to applications

Physics Reports 2019

DOI：10.1016/j.physrep.2019.01.008