在過去的二十年里，液滴蒸發(fā)中的微流動和顆粒沉積引起了科學家極大的研究興趣，這既因為蒸發(fā)過程中蘊含著豐富的物理學現(xiàn)象，例如常見的“咖啡環(huán)效應”，又由于其在綠色印刷、微納器件制備、疾病診斷等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。同時，作為人體體液等復雜體系的一種簡單模型，研究膠體液滴的操控、蒸發(fā)及顆粒沉積，可為未來空間探索任務中的復雜流體管理、資源再生與利用、宇航員生理狀況監(jiān)測等提供理論指導和技術支持。然而，蒸發(fā)中的膠體液滴是一個高度非平衡體系，存在復雜的傳熱傳質和能量交換過程，顆粒沉積理論仍不完善，這大大限制了其應用。

圖1 空間中膠體液滴的注射、分離及振蕩

近期，中國科學院力學研究所微重力重點實驗室王育人團隊針對空間中膠體液滴操控及液滴內顆粒沉積動力學的研究取得新進展。一是基于實踐十號（SJ-10）衛(wèi)星提供的高水平微重力實驗平臺，集成表面浸潤性修飾、復雜流體均勻分散等多項關鍵技術，發(fā)展了一套空間復雜流體管理系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了膠體液滴在太空的生成和操控。

圖2 咖啡環(huán)內部網(wǎng)絡狀結構中典型干區(qū)的形成機制

相關結果發(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，并授權多項國家發(fā)明專利。

圖3 氣液界面收縮（A）、重力沉降（B）和毛細補償流（C）的協(xié)同和競爭共同決定沉積圖案形貌

二是首次在咖啡環(huán)內部發(fā)現(xiàn)了二維網(wǎng)絡狀圖案，提出去浸潤和顆粒組裝之間的相互耦合機制是決定沉積結構的主要原因。通過進一步研究，發(fā)現(xiàn)重力沉降、氣液界面收縮及毛細補償流在蒸發(fā)不同階段的相互協(xié)同和競爭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動的追擊和相遇機制。相關結果發(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 多物理效應的協(xié)同和競爭機制

上述研究為空間復雜流體的管控提供了方案，深化了對顆粒沉積動力學的認識，對沉積圖案的調控及新型微納功能材料的制備具有重要的指導意義。以上工作得到中科院戰(zhàn)略性先導專項、國家自然科學基金等的資助。

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