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多孔介質(zhì)蒸發(fā)受到大量環(huán)境因素的影響，如濕度、溫度和氣壓等，但通常忽略了孔隙尺度的復(fù)雜性。理論上小孔隙中的液體因毛細(xì)作用的低水勢(shì)而保持水分，但實(shí)驗(yàn)顯示納米通道中的蒸發(fā)速率超過(guò)了擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)的動(dòng)力學(xué)極限。處于小孔中的液體受到強(qiáng)烈的毛細(xì)作用并對(duì)氣液界面的幾何特征和物理特性產(chǎn)生不可忽略的影響，毛細(xì)作用下介質(zhì)內(nèi)部的氣液界面蒸發(fā)特性仍需研究，通過(guò)建立二維微模型與土體的類(lèi)比關(guān)系，可深入理解多孔介質(zhì)孔隙水蒸發(fā)相變的關(guān)鍵特征（圖1）。
圖1?土壤蒸發(fā)示意圖：(a)典型蒸發(fā)曲線；(b)土體與微柱陣列微模型的孔隙水分布類(lèi)比圖
中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所前沿交叉中心研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)毛細(xì)作用對(duì)孔隙蒸發(fā)界面特性影響機(jī)制不明的問(wèn)題，基于光刻技術(shù)制備了三種孔隙尺寸可控的微陣列模型：穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)，同時(shí)搭建了微米級(jí)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)（圖2），通過(guò)高精度圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣液界面演化的實(shí)時(shí)可視化。
圖2?成像系統(tǒng)與微模型設(shè)計(jì)示意圖：(a)實(shí)驗(yàn)裝置；(b)穩(wěn)定型：周向與徑向間距相等（λθ=λr）且向外遞減（?λ<0）；(c) 不穩(wěn)定型：周向與徑向間距相等（λθ=λr）但向外遞增（?λ>0）；(d) 螺旋型：周向與徑向間距不等（λθ≠λr）且向外遞減（?λ<0）；(e) 三種大型微模型的間距參數(shù)；(f) 微模型結(jié)構(gòu)示意圖
隨后固定時(shí)間采集切片，液體和氣液界面被準(zhǔn)確識(shí)別，但不同位置的界面尚未根據(jù)控制機(jī)理進(jìn)行區(qū)分。因此定義并定量計(jì)算外部氣液界面（蒸發(fā)前沿）與內(nèi)部氣液界面（毛細(xì)補(bǔ)給區(qū)），通過(guò)特征長(zhǎng)度追蹤界面實(shí)時(shí)位置，通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程中的界面遷移軌跡量化三種微模型的迂曲度（圖3）。不同微模型的蒸發(fā)量化揭示外部界面貢獻(xiàn)80%以上的蒸發(fā)通量，而內(nèi)部界面因擴(kuò)散路徑增長(zhǎng)及局部濕度抑制對(duì)蒸發(fā)貢獻(xiàn)小于15%。
圖3?蒸發(fā)過(guò)程中界面演變與特征長(zhǎng)度變化示意圖：(a) 微模型與土壤的類(lèi)比關(guān)系；(b-d) 三種界面演進(jìn)模式的瞬時(shí)圖像（最后一列展示歸一化時(shí)間t*下的界面演變過(guò)程，以及通過(guò)遷移軌跡線計(jì)算的迂曲度）；(e-g) 三種微模型特征長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)變化
為了建立界面蒸發(fā)速率與界面曲率半徑的定量聯(lián)系，定義特征曲率半徑對(duì)界面曲率特征進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖4），通過(guò)曲率擬合的方法統(tǒng)計(jì)整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中內(nèi)部與外部界面的特征半徑，計(jì)算時(shí)考慮添加了平滑因子σ平衡計(jì)算效率與精度，對(duì)各切片的分布特征及整體界面的特征曲率變化規(guī)律進(jìn)行了檢驗(yàn)，誤差均小于理論值的5%。
圖4?特征曲率分布測(cè)定結(jié)果示意圖：(a) 單柱結(jié)構(gòu)，(b) 雙柱結(jié)構(gòu)，(c) 四柱結(jié)構(gòu)；(d-f) 分別為不穩(wěn)定型、穩(wěn)定型、螺旋型微模型在選定幀下的界面曲率分布
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)螺旋型微模型在邊界條件穩(wěn)定的CRP階段表現(xiàn)為特征曲率半徑與界面蒸發(fā)速率的雙對(duì)數(shù)負(fù)線性關(guān)系（圖5），表明孔隙效應(yīng)增強(qiáng)了微孔內(nèi)的液體蒸發(fā)，結(jié)合文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)尺度增強(qiáng)效應(yīng)普遍存在，納米級(jí)孔隙的蒸發(fā)速率甚至超越Hertz-Knudsen（HK）動(dòng)力學(xué)上限。為孔隙蒸發(fā)控制的土壤鹽漬化,水循環(huán)與多孔介質(zhì)相變等提供了理論基礎(chǔ)和機(jī)制框架，將界面熱力學(xué)與網(wǎng)絡(luò)尺度輸運(yùn)模型相結(jié)合，建立從納米到宏觀尺度的預(yù)測(cè)橋梁，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)跨學(xué)科蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的精確優(yōu)化。
圖5?三種微模型界面蒸發(fā)速率與特征曲率半徑的關(guān)聯(lián)關(guān)系(a)，以及文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(b)
上述研究獲得了NSFC國(guó)家自然科學(xué)基金42277178, 41702338, 51779254項(xiàng)目的資助，成果以論文“Interfacial Evaporation and Evolution in Porous Media: A Study of Pillar-Array Micromodel”發(fā)表于物理化學(xué)領(lǐng)域Top期刊《Journal of Colloid And Interface Science》。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138755
（作者：董毅）