你有没有好奇过，葡萄酒杯壁上的酒泪，为什么会缓缓向上攀爬？这背后，正是大名鼎鼎的马兰戈尼对流在起作用。这种由界面表面张力梯度驱动的流动，广泛存在于化学工程、材料科学甚至生物技术的诸多场景中，而界面处那些看不见的表面活性剂分子，究竟如何影响这一流动？近期，中科院力学所的研究团队，终于揭开了界面流变性对马兰戈尼对流的调控机制。
气液界面，是我们生活中最常见的界面之一 —— 比如水和空气的边界。当这个界面上出现温度差，或是表面活性剂的浓度差时，就会产生表面张力的梯度，进而驱动界面和下方的液体流动，这就是马兰戈尼对流。
过去的研究中，科学家们已经发现，溶解在液体里的表面活性剂，会在对流的作用下重新分布，而界面处的这些分子，就像系统里的 “隐变量”，从两个层面影响着界面的动力学：
一方面，温度和浓度梯度产生的表面张力，会驱动形成二维轴对称的马兰戈尼对流，进而因为环向不稳定性，演化出复杂的三维流动模式，以及对应的温度、浓度斑图，这一点团队已经在之前的研究中做过详细阐述；
而另一方面，就是这些分子赋予界面的流变特性 —— 也就是界面的压缩弹性、压缩粘度和剪切粘度，这部分的影响，此前一直没有被充分揭示。当表面活性剂吸附在液体表面时，它们会让气液界面拥有了类似 “二维粘度” 的流变特性，这会彻底改变界面的动力学行为。
来源：中国科学院力学研究所
为了搞清楚界面流变性的作用，研究团队做了一系列的理论与数值分析。他们将表面粘度作为小参数，引入微扰展开法，把原本复杂的锥状相似粘性流假设做了扩展，成功将整个系统的控制方程转化为了常微分方程，最终得到了点热源和点质量源驱动下，定态马兰戈尼对流的解析解。
他们发现，对于不同参数的对流系统，界面流变性的作用完全不同：
• 当雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）和施密特数（Sc）都比较小时，一阶的表面张力，并不是来自温度或者浓度梯度，而是完全由界面流变性提供的；
• 而当 Re 很小，但 Pr 和 Sc 很大时，温度梯度、浓度梯度和界面流变性都会产生表面张力，但界面流变性的作用不仅和前两者相反，还占据了主导地位。
在一般的物理参数下，团队还通过打靶法，数值求解了微扰展开后的控制方程，得到了更普适的结果。
数值结果显示：
在一阶解中，速度场在界面附近会产生径向发散运动，在远离界面的区域则显示出径向收敛运动，热量和表面活性剂会从靠近对称轴的区域，向界面转移；
而在二阶解中，流场的变化更加复杂：界面处会发生径向发散或者收敛运动，在界面下方，还会形成单环或者双环的顺时针 / 逆时针旋转流。热量基本上从界面转移到对称轴附近的区域，而表面活性剂的转移方向则完全相反。
和不考虑界面流变性的传统结果相比，界面流变性并没有改变速度、温度和浓度场的整体分布模式，但是会根据系统参数和表面粘度的不同，改变这些场的幅值。更有意思的是，在温度和浓度梯度引起的表面张力的竞争里，随着表面张力比的变化，两者的强弱会此消彼长，而界面流变性的存在，还会改变界面附近的径向速度、最高温度和最大浓度的大小。
为了验证这些理论和数值结果的可靠性，研究团队结合了多类实验仪器的观测数据，完成了模型的验证：
首先，研究人员通过界面流变仪，精准测量了不同表面活性剂体系下的界面流变参数，包括表面压缩弹性、压缩粘度和剪切粘度，为理论模型提供了准确的输入条件，确保模型的参数完全贴合真实的物理体系。
随后，团队利用粒子图像测速系统（PIV），定量捕捉了流场的速度分布，获取了对流过程中完整的速度场数据；同时通过红外热成像仪，非接触式地记录了界面的温度场变化，精准还原了温度梯度的演化过程；再搭配高速 CCD 成像系统，高速记录了界面的流动过程，以及表面活性剂的浓度演化，得到了真实的浓度场分布。
通过对比数值模拟得到的表面径向速度的径向指数衰变率，和实验测量的结果，团队证实了他们的数值结果和实验观测高度吻合，完美验证了理论模型的准确性。
来源：中国科学院力学研究所
这项研究，不仅把锥状相似粘性流假设的适用范围做了推广，更让我们彻底搞清楚了，考虑和不考虑界面流变性时，马兰戈尼对流的区别，为我们调控气液界面的表面张力铺平了道路。
未来，这些成果可以应用在化学工程的分离过程、材料科学的薄膜制备，还有生物技术的微流控操控里，为这些领域的技术突破提供基础理论支撑。
这项研究的相关成果，先后发表在《Physics of Fluids》期刊上，分别是 2025 年的 37 卷 8 期 082113 号论文，以及 2026 年的 38 卷 3 期 132102 号论文。中科院力学所的武作兵研究员是这两篇论文的第一作者和通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院先导 XDB0620102 等项目的资助。
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