近日，beat365英国官网网站滿興坤教授課題組與機械工程及自動化學院徐晔教授課題組等合作，在實現大面積可控均勻沉積領域取得了重要研究成果。相關成果以“Uniform deposition of particles in large scale by drying of binary droplets”為題發表在期刊《Small》上。beat365英国官网网站博士研究生姜澤超和機械工程及自動化學院博士研究生陶郦祎銘為共同第一作者，滿興坤教授和徐晔教授為共同通訊作者。

液滴蒸發過程中的“咖啡環效應”(CRE)是膠體與界面科學領域的經典問題。1997年Deegan等在《Nature》首次闡明其機理：液滴邊緣蒸發更快誘導内外的毛細流，導緻顆粒在邊緣富集形成環狀沉積。這一現象廣泛存在于噴墨打印、電子器件制造、界面組裝等領域，嚴重影響材料塗層均勻性和器件性能。例如，在顯示技術領域，CRE會導緻OLED發光層厚度不均、發光效率下降；在生物檢測中影響信号的均一性。雖然科學家提出多種調控方法抑制CRE，但由于蒸發過程涉及溫度、濕度、溶劑性質、顆粒特性等多因素耦合，如何通過簡單的一步幹燥液滴實現大面積均勻顆粒分布仍是重大挑戰。針對這一難題，滿興坤教授課題組與徐晔教授課題組合作，創新性地提出了二元(溶劑)液滴蒸發的協同調控策略，為實現可控沉積提供了新思路。

本研究基于理論模型計算，篩選出二元溶劑的關鍵性質參數包括蒸發速率比Jre和初始液滴溶劑的體積比c0，并預測二元液滴沉積圖案的相圖，指出制備均勻沉積的溶劑選擇條件。進一步結合實驗選取二元液滴水/乙二醇單甲醚，成功實現了聚苯乙烯顆粒的均勻沉積，表征結果顯示其歸一化AFM高度測量的均方根Rms小于0.1，歸一化光強的Rms小于0.3，具備良好均勻度。同時，實驗選取其他二元溶劑組合驗證理論相圖結果。

理論計算指出通過精确調控初始溶劑的體積分數比，可以實現了毛細流與馬蘭戈尼流的協同調制作用，使沉積形貌呈現從咖啡環到均勻沉積再到火山形的可控轉變。具體來說，通過改變初始溶劑的體積分數比c0，調控了毛細流和馬蘭戈尼流的強度比|κ=vCa/vMa|；通過選取不同蒸發速率比Jre的溶劑，調控了毛細流和馬蘭戈尼流的協同作用時間tCa/tMa。

本研究提出的基于馬蘭戈尼效應的協同調控策略具有獨特優勢：通過蒸發誘導的溶劑濃度梯度産生馬蘭戈尼流，僅需調節二元液滴的初始體積比即可精确控制液滴内部的流場強度，無需複雜的化學改性/修飾或嚴苛的環境條件。這一研究為噴墨打印、微納器件制造和生物醫藥等領域的圖案化均勻沉積提供了簡單可靠的解決方法，在規模化生産和實際應用中展現出重要價值。

文章鍊接：https://doi.org/10.1002/smll.202501549

滿興坤教授課題組長期緻力于液滴動力學的相關研究。基于Onsager變分原理，首次給出環狀沉積轉變機制解釋[Phys. Rev. Lett. 116, 066101 (2016) ]。後續研究拓展到蒸發梯度場誘導液滴運動[Phys. Rev. Lett. 119, 044502 (2017)]，非對稱蒸發誘導液滴沉積形貌[Langmuir 33, 5965 (2017)]，多環沉積機制[Langmuir 34, 9572 (2018)]，表面活性劑誘導沉積轉變[Langmuir 35, 14734 (2019)]，液滴運動實驗[Soft Matter 15, 2135 (2019)]，二元液滴僞平衡接觸角機制[Soft Matter 17, 7932 (2021)]，蒸發、毛細、熱馬蘭戈尼效應耦合[Langmuir 38, 4887 (2022)]和高分子液滴沉積機制[Langmuir 40, 860 (2024)]等。