一滴溶剂如何“啃”掉整块塑料？——揭开“溶解润湿”背后的物理战争

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一滴溶剂如何“啃”掉整块塑料？——揭开“溶解润湿”背后的物理战争（ DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.109）

你或许见过水滴在荷叶上滚来滚去，但你是否见过一滴溶剂把塑料“啃”出一个洞，还边啃边往前爬？这不是科幻片，而是中国科学院力学研究所赵亚溥、袁泉子团队最新发表在《国际传热与传质杂志》上的研究：溶解润湿（dissolutive wetting）。今天，我们用一篇深度推文，带你走进一滴二甲苯（xylene）和一块聚苯乙烯（polystyrene）之间的微观战争。

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01 什么是溶解润湿？传统润湿讲的是“液体如何在固体表面铺展”。而溶解润湿更**：液体不仅铺展，还把固体“吃掉”了。这种过程在3D打印、药物溶解、微纳制造甚至CO₂封存中都至关重要。过去，科学家要么只看“铺展”，要么只看“溶解”，而这项研究首次把两者“耦合”在一起，解开了界面演化的完整拼图。

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02 实验：一滴绿色“贪吃蛇”团队把0.7 μL的二甲苯滴在抛光聚苯乙烯板上，并加入荧光剂，让整个过程在显微镜下变成一场“绿色贪吃蛇”的直播：

• 第5秒：液滴像普通润湿一样向外扩张；
  
• 第20秒：液滴下方出现凹陷，塑料开始被“啃”；
  
• 第160秒：凹陷加深，液滴边缘像“裙摆”一样翻卷。
  
  

关键发现：液滴半径随时间呈幂律增长 r ~ t^0.11，比经典Tanner定律（r ~ t^0.1）更快——多出来的0.01，正是溶解在背后“助推”。

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03 物理模型：Noyes-Whitney遇上润湿方程如何定量描述这场“你铺展、我溶解”的战争？团队祭出两大方程：

• Noyes-Whitney方程：描述固体溶解速度，与浓度差、扩散系数成正比；
  
• 润湿幂律：r = a(t/t₀)^n，刻画液滴铺展动力学。
  
  

把两者“联姻”，得到耦合模型：

h(x,t) = -v₀τ [1 - exp( (t₀/τ)(x/ar₀)^(1/n) - t/τ )]

其中：

• v₀：初始溶解速度（6.5×10⁻⁴ mm/s）
  
• τ：溶解特征时间（105 s）
  
• n：幂律指数（0.11）
  
  

模型预测的界面形状与实验照片几乎完美重合，误差<5%。

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04 两个阶段：从“铺展主导”到“溶解主导”团队用润湿速度/溶解速度的比值v做“判官”，发现全过程分两阶段：

• 阶段1（v>10）：界面变化由铺展主宰，溶解几乎“来不及反应”，接触角快速下降；
  
• 阶段2（v≈1）：溶解追上来，与铺展“平分秋色”，接触角转而缓慢上升，凹陷逐渐加深。
  
  

转折点出现在约24秒，此时两条速度曲线首次相交，界面战争进入拉锯战。

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05 不只是科学：从MEMS到药片这项研究的意义远不止“好玩”：

• MEMS制造：精准控制蚀刻深度，避免“啃穿”芯片；
  
• 药物设计：预测药片在胃液中的溶解形貌，提升缓释效果；
  
• CO₂封存：评估超临界CO₂溶解岩石的动态界面，防止泄漏。
  
  

一句话：谁能想到，一滴溶剂的小小0.11指数，竟藏着下一代微器件与救命药片的大秘密？

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06 写在最后当大多数人还在用“经验”调试工艺时，科学家已经把溶解与润湿写进了方程。下次你看到溶剂滴在塑料上，不妨多看两眼——那里正上演着一场速度与浓度的较量，而胜负，早在0.11的指数里写好了结局。

“物理的浪漫，在于用数学预言一滴液体的命运。”——致所有在微观世界探索边界的科研人。

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参考文献
Yang J., Yuan Q., Zhao Y.-P. Evolution of the interfacial shape in dissolutive wetting: Coupling of wetting and dissolution. Int. J. Heat Mass Transf. 118 (2018) 201–207.