西安理工大学科研人员揭示纳米流体凝固界面失稳机制

纳米流体的凝固广泛地存在于自然界，比如，严寒地区的冻土冻胀、海上浮冰等。而在工业应用中，一些先进材料的制备也利用纳米流体的凝固，如定向多孔材料、仿贝壳结构材料、金属基纳米颗粒复合材料等。然而这里面涉及到纳米颗粒的自组装、溶液的凝固，以及纳米颗粒与凝固界面的交互作用，其内在的物理机制及其微观组织演化规律非常复杂，因而基于纳米流体凝固的先进材料制备仍面临挑战。而这其中的平界面初始失稳是微观组织形态演化的起点，是理解微观组织形态选择的基础。到目前为止，纳米流体凝固过程中的平界面失稳机制仍存在争议。

近日，我校材料学院的青年教师王理林博士同西北工业大学凝固国家技术重点实验室王志军博士等合作研究，通过对纳米流体定向凝固过程中的界面初始演化进行原位实时观察，发现平界面失稳模式的选择由界面前沿溶质边界层和纳米颗粒边界层之间的竞争决定；平界面存在Mullins-Sekerka失稳、整体裂开（global split）失稳和局部裂开（local split）失稳三种模式。利用溶质与颗粒的扩散边界层理论，分析界面前沿溶质边界层和颗粒边界层之间的竞争关系，得到了平界面失稳模式选择的物理判据。本研究将为先进材料的冰模板法制备提供理论指导。

此项研究工作全文于2016年3月发表在Nature子刊《Scientific Reports》（IF=5.58）杂志上，论文题目为“Interface instability modes infreezing colloidal suspensions:revealed from onset of planarinstability”，西安理工大学是该论文的第一作者单位。值得一提的是，本研究受到国际同行英国剑桥大学著名物理学家M.G. Worster教授的关注，研究团队中一名博士生也得到国家留学基金委支持赴Worster教授课题组展开为期半年的交流学习。

本研究工作受到凝固国家重点实验室自由研究基金的支持。

论文链接：http://www.nature.com/articles/srep23358