清华团队揭示液膜蒸发过程中的热质耦合机制，开辟涂层技术新时代
清华团队揭示液膜蒸发过程中的热质耦合机制，开辟涂层技术新时代
近日，清华大学能源与动力工程系的研究团队与荷兰特温特大学教授德特勒夫·洛斯合作，深入探讨了多组分液膜蒸发过程中的热质耦合双重失稳机制。这项研究揭示了在液膜蒸发过程中形成的温度和溶质浓度梯度诱发的马兰戈尼效应，这对微电子封装和材料表面涂层等工业应用具有重要意义。
液体薄膜蒸发广泛应用于多个工业领域，其最终产品质量受到影响。然而，关于液膜在蒸发过程中发生的不稳定机制依然缺乏明确的理论指引。研究团队选择了水-乙醇-茴香油的三元混溶体系，通过高精度热成像和光学观测技术，首次观察到蒸发过程中同时存在的微米级热对流胞和毫米级的多边形油滴析出图案。这些现象为理解液膜蒸发过程中的复杂动力学提供了新视角。
通过结合多尺度数值模拟，研究团队量化了温度和浓度在表面张力变化中的贡献，发现热马兰戈尼效应在初期主导界面失稳，而随着溶质在液膜内扩散，溶质马兰戈尼效应逐渐增强。基于此，研究团队建立了一个新的热-溶质双重马兰戈尼效应理论判据，为更精准的涂层工艺优化提供理论支持。
实验中，通过调节蒸发速率和油滴析出的临界时间，团队能够主动控制微滴图案的特征波长。这意味着涂层制造过程中的图案特性可以根据实际需求进行调控，进一步提升了工业应用的灵活性和实用性。
研究也强调了液膜沉积图案的调控潜力。在颗粒混合的液膜蒸发实验中，研究人员发现，当基底温度较高时，热效应可促使颗粒形成规则的沉积图案，而在较低基底温度下，颗粒则均匀沉积。此种现象为相关蒸发沉积技术的提高提供了新思路，可能会在微电子制造等领域形成积极的影响。
研究成果以《多组分液膜蒸发过程中的热质耦合双重失稳机制》为题，于2月7日在线发表于《美国国家科学院院刊》。此项研究得到了国家自然科学基金、腾讯新基石研究员项目及科学探索奖等的支持。
随着人工智能和计算力的进步，该研究或将在未来为涂层制造带来更多创新可能。伴随对液膜蒸发过程理解的深化，将有助于推动相关领域技术革新，提升制造效率，推动涂层技术的应用与发展。研究团队的工作不仅丰富了液膜蒸发的基础理论，也为工业应用提供了重要的实验依据，标志着涂层技术的新时代即将来临。
本文原文来自搜狐