麻省理工学院工程师解释为什么水坑停止蔓延

MIT工程师的新研究有助于解释为什么水坑停止传播的科学。

当你把一点点水溅到桌面上时，水坑蔓延 - 然后停止，用锋利的边界留下明确定义的水域。

只有一个问题：公式科学家用来形容这种流体流说说，水应该只是保持无休止的蔓延。每个人都知道这不是这种情况 - 但为什么？

这种神秘现已由MIT的研究人员解决 - 虽然这种现象可能看起来很琐碎，但发现的后果可能很重要：理解这种流动的流体对于从齿轮和机械润滑到多孔地下层中二氧化碳排放的潜在封存的过程是必不可少的。

新的调查结果报告在“物理审查”中，在鲁巴·胡安那副教授，研究生Amir Pahlavan，研究助理Luis Cueto-Felgueroso，以及机械工程教授Gareth McKinley的副教授。

“经典的薄膜模型描述了液体膜的扩散，但它并没有预测它停止，”帕拉万格说。事实证明，问题是一个规模之一，他说：它只处于负责停止流动的力量开始出现的分子水平。即使这些力量是微米的，它们的效果也会改变液体如何以明显的方式表现出更大的规模。

“在这个问题的宏观视图中，没有什么可以阻止水坑传播。“帕拉万人说，这里有一些缺失的东西。

传播的经典描述有很多不一致性：例如，它们需要一个无限的力来获得一个开始蔓延的水坑。但靠近水坑的边缘，“液体固体和液体 - 空气界面开始彼此感觉，”帕拉万卡说。“这些是宏观描述中缺失的分子间力。”他说，对这些力量的正确核算解决了之前的悖论。

“在这里引人注目，”帕拉万加那个是“实际停止水坑的力量是只在纳米级上行动的力量。”他说，这非常简洁地说明了如何影响我们的日常经历。

是否有人溢出的牛奶在桌面上停止或乱七八糟的地板可能看起来可能是一个很重要的问题，除了可能浸透的人，或者必须擦掉泄漏。但涉及的原则会影响一系列其他情况，其中能够计算流体如何表现如何具有重要的后果。例如，了解这些效果对于弄清楚将齿轮系始力干燥需要多少油，或者需要多少钻孔“泥浆”以平滑地工作。这两个过程都涉及液体的薄膜。

许多复杂的流体流量也归结为相同的潜在原则，Juanes说 - 例如，碳封存，从化石燃料排放中除去二氧化碳并将其注入地下地层，如多孔岩石。了解注入的流体如何通过岩石中的毛孔传播，也许位移水是必不可少的，这对于预测这种注射可能是多么稳定。

“你从一些非常简单的东西开始，就像水坑的蔓延，但你得到了关于分子间力量非常基础的东西，”胡安说。“相同的过程，相同的物理，将在许多复杂的流动中发挥作用。”

新发现可能重要的另一个领域是微芯片的设计。随着他们的功能变小和更小，控制热量的累积已成为一个主要的工程问题;一些新系统使用液体来消散热量。Pahlavan说，了解这种冷却液如何流过芯片，对芯片涂抹在芯片上可能很重要。

康沃特斯通，普林斯顿大学没有参与这项工作的机械和航空航天工程教授，“作者提出了与许多…润湿情况相关的好结果。它们引入了涉及液体和固体之间的非流体动力相互作用的数学形式主义，并在文献中常见的薄膜描述中使用它。然后，他们获得了几个新的见解。我有信心这篇论文将在社区很多人群。“

此初始分析仅处理完美光滑的表面。在追求研究时，Juanes说，下一步将是将分析扩展到包括粗糙表面上的流体流动 - 这更接近地下多孔形成中的流体的条件更近似。“这项工作使我们能够更好地描述复杂的几何形状中的多相流，如粗糙的骨折和多孔介质。”

这项工作得到了美国能源部的支持。

研究报告的PDF副本：部分润湿薄膜：接触线动力学的内部选择