2021年全國大學生物理學術(shù)競賽中提出了這樣一個探究性問題：當一滴水混合物（例如水~乙醇）放置在疏水性液體（例如植物油）的表面時，所產(chǎn)生的液滴有時會碎成更小的液滴。研究影響碎裂和最終液滴大小的參數(shù)。這種通過添加可混合溶液來調(diào)節(jié)水的潤濕性的方法通常用于涉及界面的各種工業(yè)過程中。本文通過實驗研究了沉積在疏水性液體表面的水滴和揮發(fā)性酒精的物理演變過程。發(fā)現(xiàn)酒精蒸發(fā)引起的馬蘭戈尼流動在整個現(xiàn)象中起著關(guān)鍵作用，并從液滴擴散半徑、液滴爆炸持續(xù)時間兩個維度來衡量碎裂現(xiàn)象，理論分析找出影響該現(xiàn)象的相關(guān)參數(shù)，實驗驗證相關(guān)參數(shù)影響碎裂和最終液滴大小的關(guān)系。其中流體力學、潤濕和蒸發(fā)的復雜耦合被很好地捕捉到。本文也得到了涉及其他液體組合的實驗的證實，這些液體組合也很好地滿足了上述現(xiàn)象及結(jié)論。

1預(yù)實驗

1.1實驗裝置

為了還原物理現(xiàn)象，初步探究液滴爆炸的原因，本文首先進行了預(yù)實驗。實驗中所用到的物品包括：醫(yī)用75%酒精和蒸餾水混合形成水混合物液滴，家用菜籽油用作油池，普通藍墨水染色。在室溫環(huán)境下進行實驗，預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)普通藍墨水染色現(xiàn)象不明顯，改進為采用甲基藍染色劑進行染色。正式實驗時準備了不同種類的水混合物（乙醇、二乙二醇丁醚），不同種類的疏水性物質(zhì)（硅油、花生油、蓖麻油），不同厚度的疏水性物質(zhì)（5 mm、10 mm），設(shè)置合適的濃度梯度，采用恒溫水浴鍋來測定溫度。在顯微鏡下觀察液滴的運動過程，精準測定液滴大小，利用注射器定量控制滴入液滴的體積，再利用黏度計測量黏性系數(shù)，并對實驗誤差進行了修正。

1.2實驗現(xiàn)象

觀察實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)液滴爆炸分為三個階段。階段一：考慮到物質(zhì)的相關(guān)基團的化學性質(zhì)，混合液滴受到張力梯度的驅(qū)動在油面上擴張。乙醇的蒸發(fā)改變了擴散邊緣附近的混合物的浸濕特性，結(jié)合油層的黏滯效應(yīng)，擴張迅速地停止。階段二：緊接著由于乙醇蒸發(fā)的不均勻性，邊緣處的液滴呈現(xiàn)出局部聚集的態(tài)勢，產(chǎn)生類似于“液滴噴發(fā)”的現(xiàn)象。在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會穩(wěn)定地持續(xù)一段時間。階段三：隨著液滴爆炸進入尾聲，液滴的噴發(fā)的邊緣會快速地縮小。

2理論分析

2.1分子結(jié)構(gòu)

液滴爆炸現(xiàn)象的第一個階段混合液滴在疏水性物質(zhì)上先擴散后停止，為解釋這一階段，先從分子結(jié)構(gòu)入手。乙醇是一種弱極性分子，乙醇中的羥基親水，烴基親油。宏觀上乙醇在油表面的接觸角小于90°,因此乙醇可以在油表面擴散，也就是說當混合液體中酒精濃度超過某一閾值，液滴擴散。當酒精蒸發(fā)時，液滴外圍變得富含水，外圍局部酒精濃度小于閾值，擴散停止。

圖1實驗裝置實物圖

圖2分子結(jié)構(gòu)

圖3受力分析

2.2表面張力

液滴爆炸現(xiàn)象的第二階段邊緣處的液滴產(chǎn)生液滴噴發(fā)現(xiàn)象，在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會穩(wěn)定持續(xù)一段時間。為解釋這一階段，先從表面張力入手，因為接觸角的不同，水對油的表面張力大于乙醇對油的表面張力，則混合液體對油層的界面張力介于水和乙醇之間。混合液滴中乙醇的比例越大，混合液體對油層的界面張力越小，受到向內(nèi)的張力減小，這樣整體向外的張力增大，這是產(chǎn)生向外推動的驅(qū)動力的重要原因。可見界面張力直接決定了液滴在界面上的擴散和運動。