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液体膜蒸发过程广泛存在于工业领域，例如微电子包装和材料表面涂料，并且对于最终产品的质量至关重要。在蒸发过程中，温度和溶质浓度梯度将在液体膜内自发形成，这将进一步引起温度和溶质Marangoni效应，从而极大地影响了液膜的蒸发过程。但是，尚未阐明由这两种效应引起的双重不稳定机制及其对沉积形态的动态调节定律，这限制了高精度涂层过程的优化。最近，来自Tsinghua University主动动态学系的Sun Chao研究团队与荷兰Twente University的Detlef Lohse教授合作，使用荷兰的Twente University使用水- 乙醇- 富烯醇三元式三元性混乱系统作为研究对象。通过高精度的热成像和光学观察技术，观察到了由温度巨龙效应形成的微米级热对流细胞和毫米尺度的油滴的多边形模式。结合多尺度的数值模拟，该团队量化了表面张力梯度中温度与浓度贡献之间的竞争关系，结果表明，热效应在蒸发早期阶段占主导地位的界面不稳定性，而溶质效应逐渐随着溶质在液态膜中的扩散而逐渐增加。基于这一点，团队提出了一个理论标准，即热丝丝双重马龙诺效应在各个阶段中占主导地位。此外，通过调整油滴沉淀的蒸发率和关键时间阈值，可以实现对液滴图案的特征波长的积极控制。研究小组通过图1a中所示的实验装置观察了多组分液体膜在蒸发过程中的动态行为。在液膜蒸发的早期和中期，可以分别从红外摄像头和光相机观察到蜂窝热对流模式（图1B）和多边形油滴沉淀模式（图1F）。这两种模式的特征波长的差异（图2）表明，液体膜蒸发过程中有两种不稳定性机制：热不稳定性和溶质不稳定。

实验装置和蒸发过程的主要现象的示意图

红外摄像机和光相机观察到的两种模式的波长分布

为了深入分析两种不稳定性机制之间的竞争关系，研究团队通过数值模拟比较了热摩根酮效应的贡献和溶质摩根酮在表面张力中的效果。数值仿真结果揭示了蒸发过程中两种机制的动态转化：热毛龙效应在初始阶段主导了对流模式，而溶质摩根酮效应逐渐以液体膜中的溶质扩散过程占主导地位（图3）。这一发现不仅解释了实验中观察到的模式波长差异，而且还提供了理论支持，以理解多组分液体膜蒸发过程中复杂的流体动力学。

热质量耦合双重不稳定性机制的标准

基于对两种不稳定机制的理解，研究团队通过调节蒸发条件来证明控制液体膜沉积模式的应用潜力。在混合颗粒的液膜蒸发实验中，当底物温度较高时，热毛龙戈里效应显着，从而导致颗粒形成规则的沉积模式。而当底物温度降低时，颗粒均匀沉积。该结果有助于为相关蒸发沉积技术的精确调节提供新的想法。

在不同底物温度下的粒子沉积模式的比较

相关的研究结果的标题为“蒸发多组分液体薄膜的热溶剂引起的双重性”，并于2月7日在线发布，电话：《美国国家科学院院刊》（美国国家科学院国家科学院，美国国家科学院，PNAS，PNAS，PNAS）。 Wakada Xionghui博士是Active Dynamics系的2021年博士生，是该论文的第一作者，也是燃烧能源中心的教授，以及Tsinghua University的Active Dynamics，也是新的基石研究员，是该论文的相应作者。合作者包括燃烧能源部的博士后研究员Wang Feng，以及荷兰Twinter University的Detlef Lohse教授。这项研究得到了国家自然科学基金会基础科学中心项目“非线性力学多尺度问题的研究”，腾讯新基石研究员项目和科学探索奖项目的支持。纸张链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2418487122

来源：活动系统