????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作用的低水勢而保持水分，但實驗顯示納米通道中的蒸發(fā)速率超過了擴散動力學預(yù)測的動力學極限。處于小孔中的液體受到強烈的毛細作用并對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，通過建立二維微模型與土體的類比關(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比圖

????中國科學院武漢巖土力學研究所前沿交叉中心研究團隊，針對毛細作用對孔隙蒸發(fā)界面特性影響機制不明的問題，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)，同時搭建了微米級實時成像系統(tǒng)（圖2），通過高精度圖像處理技術(shù)實現(xiàn)了氣液界面演化的實時可視化。

圖2?成像系統(tǒng)與微模型設(shè)計示意圖：(a)實驗裝置；(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

????隨后固定時間采集切片，液體和氣液界面被準確識別，但不同位置的界面尚未根據(jù)控制機理進行區(qū)分。因此定義并定量計算外部氣液界面（蒸發(fā)前沿）與內(nèi)部氣液界面（毛細補給區(qū)），通過特征長度追蹤界面實時位置，通過蒸發(fā)過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80%以上的蒸發(fā)通量，而內(nèi)部界面因擴散路徑增長及局部濕度抑制對蒸發(fā)貢獻小于15%。

圖3?蒸發(fā)過程中界面演變與特征長度變化示意圖：(a) 微模型與土壤的類比關(guān)系；(b-d) 三種界面演進模式的瞬時圖像（最后一列展示歸一化時間t*下的界面演變過程，以及通過遷移軌跡線計算的迂曲度）；(e-g) 三種微模型特征長度的動態(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界面曲率特征進行評價（圖4），通過曲率擬合的方法統(tǒng)計整個蒸發(fā)過程中內(nèi)部與外部界面的特征半徑，計算時考慮添加了平滑因子σ平衡計算效率與精度，對各切片的分布特征及整體界面的特征曲率變化規(guī)律進行了檢驗，誤差均小于理論值的5%。

圖4?特征曲率分布測定結(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)速率的雙對數(shù)負線性關(guān)系（圖5），表明孔隙效應(yīng)增強了微孔內(nèi)的液體蒸發(fā)，結(jié)合文獻發(fā)現(xiàn)尺度增強效應(yīng)普遍存在，納米級孔隙的蒸發(fā)速率甚至超越Hertz-Knudsen（HK）動力學上限。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)和機制框架，將界面熱力學與網(wǎng)絡(luò)尺度輸運模型相結(jié)合，建立從納米到宏觀尺度的預(yù)測橋梁，從而實現(xiàn)對跨學科蒸發(fā)驅(qū)動過程的精確優(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)，以及文獻中的實驗數(shù)據(jù)(b)

????上述研究獲得了NSFC國家自然科學基金42277178, 41702338, 51779254項目的資助，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）