2021年全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中提出了這樣一個(gè)探究性問(wèn)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(shí)，所產(chǎn)生的液滴有時(shí)會(huì )碎成更小的液滴。研究影響碎裂和最終液滴大小的參數。這種通過(guò)添加可混合溶液來(lái)調節水的潤濕性的方法通常用于涉及界面的各種工業(yè)過(guò)程中。本文通過(guò)實(shí)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(guò)程。發(fā)現酒精蒸發(fā)引起的馬蘭戈尼流動(dòng)在整個(gè)現象中起著(zhù)關(guān)鍵作用，并從液滴擴散半徑、液滴爆炸持續時(shí)間兩個(gè)維度來(lái)衡量碎裂現象，理論分析找出影響該現象的相關(guān)參數，實(shí)驗驗證相關(guān)參數影響碎裂和最終液滴大小的關(guān)系。其中流體力學(xué)、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(shí)驗的證實(shí)，這些液體組合也很好地滿(mǎn)足了上述現象及結論。

1預實(shí)驗

1.1實(shí)驗裝置

為了還原物理現象，初步探究液滴爆炸的原因，本文首先進(jìn)行了預實(shí)驗。實(shí)驗中所用到的物品包括：醫用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(jìn)行實(shí)驗，預實(shí)驗中發(fā)現普通藍墨水染色現象不明顯，改進(jìn)為采用甲基藍染色劑進(jìn)行染色。正式實(shí)驗時(shí)準備了不同種類(lèi)的水混合物（乙醇、二乙二醇丁醚），不同種類(lèi)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），設置合適的濃度梯度，采用恒溫水浴鍋來(lái)測定溫度。在顯微鏡下觀(guān)察液滴的運動(dòng)過(guò)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，并對實(shí)驗誤差進(jìn)行了修正。

1.2實(shí)驗現象

觀(guān)察實(shí)驗現象發(fā)現液滴爆炸分為三個(gè)階段。階段一：考慮到物質(zhì)的相關(guān)基團的化學(xué)性質(zhì)，混合液滴受到張力梯度的驅動(dòng)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，結合油層的黏滯效應，擴張迅速地停止。階段二：緊接著(zhù)由于乙醇蒸發(fā)的不均勻性，邊緣處的液滴呈現出局部聚集的態(tài)勢，產(chǎn)生類(lèi)似于“液滴噴發(fā)”的現象。在該過(guò)程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會(huì )穩定地持續一段時(shí)間。階段三：隨著(zhù)液滴爆炸進(jìn)入尾聲，液滴的噴發(fā)的邊緣會(huì )快速地縮小。

2理論分析

2.1分子結構

液滴爆炸現象的第一個(gè)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，先從分子結構入手。乙醇是一種弱極性分子，乙醇中的羥基親水，烴基親油。宏觀(guān)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(shuō)當混合液體中酒精濃度超過(guò)某一閾值，液滴擴散。當酒精蒸發(fā)時(shí)，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(shí)驗裝置實(shí)物圖

圖2分子結構

圖3受力分析

2.2表面張力

液滴爆炸現象的第二階段邊緣處的液滴產(chǎn)生液滴噴發(fā)現象，在該過(guò)程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會(huì )穩定持續一段時(shí)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?；旌弦旱沃幸掖嫉谋壤酱?，混合液體對油層的界面張力越小，受到向內的張力減小，這樣整體向外的張力增大，這是產(chǎn)生向外推動(dòng)的驅動(dòng)力的重要原因?？梢?jiàn)界面張力直接決定了液滴在界面上的擴散和運動(dòng)。