2021年全國大學生物理學術競賽中提出了這樣一個探究性問題：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）的表麵時，所產生的液滴有時會碎成更小的液滴。研究影響碎裂和最終液滴大小的參數。這種通過添加可混合溶液來調節水的潤濕性的方法通常用於涉及界麵的各種工業過程中。本文通過實驗研究了沉積在疏水性液體表麵的水滴和揮發性酒精的物理演變過程。發現酒精蒸發引起的馬蘭戈尼流動在整個現象中起著關鍵作用，並從液滴擴散半徑、液滴爆炸持續時間兩個維度來衡量碎裂現象，理論分析找出影響該現象的相關參數，實驗驗證相關參數影響碎裂和最終液滴大小的關係。其中流體力學、潤濕和蒸發的複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驗的證實，這些液體組合也很好地滿足了上述現象及結論。

1預實驗

1.1實驗裝置

為了還原物理現象，初步探究液滴爆炸的原因，本文首先進行了預實驗。實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。在室溫環境下進行實驗，預實驗中發現普通藍墨水染色現象不明顯，改進為采用甲基藍染色劑進行染色。正式實驗時準備了不同種類的水混合物（乙醇、二乙二醇丁醚），不同種類的疏水性物質（矽油、花生油、蓖麻油），不同厚度的疏水性物質（5 mm、10 mm），設置合適的濃度梯度，采用恒溫水浴鍋來測定溫度。在顯微鏡下觀察液滴的運動過程，精準測定液滴大小，利用注射器定量控製滴入液滴的體積，再利用黏度計測量黏性係數，並對實驗誤差進行了修正。

1.2實驗現象

觀察實驗現象發現液滴爆炸分為三個階段。階段一：考慮到物質的相關基團的化學性質，混合液滴受到張力梯度的驅動在油麵上擴張。乙醇的蒸發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：緊接著由於乙醇蒸發的不均勻性，邊緣處的液滴呈現出局部聚集的態勢，產生類似於“液滴噴發”的現象。在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會穩定地持續一段時間。階段三：隨著液滴爆炸進入尾聲，液滴的噴發的邊緣會快速地縮小。

2理論分析

2.1分子結構

液滴爆炸現象的第一個階段混合液滴在疏水性物質上先擴散後停止，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。宏觀上乙醇在油表麵的接觸角小於90°,因此乙醇可以在油表麵擴散，也就是說當混合液體中酒精濃度超過某一閾值，液滴擴散。當酒精蒸發時，液滴外圍變得富含水，外圍局部酒精濃度小於閾值，擴散停止。

圖1實驗裝置實物圖

圖2分子結構

圖3受力分析

2.2表麵張力

液滴爆炸現象的第二階段邊緣處的液滴產生液滴噴發現象，在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體，因此會穩定持續一段時間。為解釋這一階段，先從表麵張力入手，因為接觸角的不同，水對油的表麵張力大於乙醇對油的表麵張力，則混合液體對油層的界麵張力介於水和乙醇之間。混合液滴中乙醇的比例越大，混合液體對油層的界麵張力越小，受到向內的張力減小，這樣整體向外的張力增大，這是產生向外推動的驅動力的重要原因。可見界麵張力直接決定了液滴在界麵上的擴散和運動。