耗散結(jié)構(gòu)理論認為，一個遠離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。近日，南京工業(yè)大學(xué)陳小強教授團隊與重慶大學(xué)李友榮教授團隊合作，利用苯并噻唑-螺吡喃衍生物BS1-SP的光致變色效應(yīng)，捕捉到了溶劑在容器中由于揮發(fā)過程所導(dǎo)致的耗散結(jié)構(gòu)及其演變行為。
通過觀察，溶劑揮發(fā)所導(dǎo)致的耗散結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與熱毛細對流現(xiàn)象有關(guān)，而后者常常卷入晶體生長、液滴的蒸發(fā)和微流體流動等過程當中。開發(fā)有效工具用來認識和了解熱毛細對流過程中流體的動態(tài)行為對于基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)非常重要。以往，紅外熱像儀、熱致變色液晶和基于磷光的可視化技術(shù)是常用的二維溫度測量光學(xué)工具，顆粒圖像測速和聚苯乙烯熒光顆粒的結(jié)合技術(shù)可用來追蹤熱毛細對流的流動。然而，截止到目前，以高時空分辨率在熱毛細對流過程中同時觀察溫度場的瞬態(tài)分布和流體流動形式的具體細節(jié)仍是一項挑戰(zhàn)。
圖1.?BS1-SP對碟形容器中二氯甲烷表面溫度場的可視化成像和成像機理
研究者首先在碟形容器中用365 nm的紫外光照射溶有BS1-SP的二氯甲烷溶液1 s，其表面瞬間出現(xiàn)“蠕蟲”狀的綠色花紋，且該“蠕蟲”狀花紋與用紅外熱像儀觀察到的二氯甲烷表面上的溫度場分布完全相同，說明開環(huán)的綠色BS1-MC聚集在了二氯甲烷表面溫度場的冷區(qū)域?；谝陨蠈嶒灛F(xiàn)象，陳小強教授團隊提出了BS1-SP可以對揮發(fā)性二氯甲烷表面溫度場進行高分辨成像的機理。在具有自由上表面的開放式溶劑系統(tǒng)中，二氯甲烷的自然揮發(fā)會導(dǎo)致溶劑表面溫度分布不均勻，使得低溫區(qū)域的表面張力較高，為了維持高溫區(qū)域和低溫區(qū)域表面張力之間的平衡，溶劑表面上的BS1-SP分子會在低溫區(qū)域自發(fā)聚集。在365 nm紫外光的照射下，已聚集在溶劑表面冷區(qū)域的BS1-SP迅速異構(gòu)化為綠色的BS1-MC，二氯甲烷溶液的表面瞬間出現(xiàn)“蠕蟲”狀的綠色花紋。
在以瑪瑙研缽為容器的體系中，陳小強教授團隊使用BS1-SP捕獲了二氯甲烷表面的“花瓣”狀溫度場分布，該“花瓣狀”結(jié)構(gòu)并通過有限體積法進行的動力學(xué)模擬驗證了“花瓣”狀的溫度場分布是由流體表面張力和Marangoni效應(yīng)引起的流體對流共同驅(qū)動的。在進一步的實驗探究中，該團隊通過冷源誘導(dǎo)的方式實現(xiàn)了對二氯甲烷表面溫度場聚集中心轉(zhuǎn)移的調(diào)控，并歸納了不同揮發(fā)性鹵代烷烴表面溫度場的“花瓣”數(shù)與其物性參數(shù)之間的關(guān)系如下：
N?= A [-(?γ/?T)×ΔT/μ]m
其中，N代表揮發(fā)性鹵代烴表面的溫度場的“花瓣”數(shù)；?γ/?T代表表面張力系數(shù)隨溫度的變化率；ΔT代表“花瓣”邊緣與中心的溫度差；μ代表在環(huán)境溫度15℃條件下，揮發(fā)性溶劑的粘度
該項工作意義有如下幾點：首先，拓展了螺吡喃這一經(jīng)典光致變色染料分子的應(yīng)用范圍，首次將其拓展到流體熱/動力學(xué)領(lǐng)域；其次，發(fā)現(xiàn)了一種針對流體表面溫度場成像的工具，與傳統(tǒng)的熱成像儀原理完全不同，后者的成像主要基于表面的熱輻射，而前者成像主要由于溶液的表面張力差異，且后者的成像分辨率遠高于前者；最后，螺吡喃染料分子為揮發(fā)系統(tǒng)中發(fā)生的動態(tài)自組裝過程和流體動力學(xué)行為提供了新的見解。
圖2. 局部冷卻和溶劑性質(zhì)對“花瓣”狀溫度場形成的影響
這一成果將于近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是南京工業(yè)大學(xué)博士研究生陳亞輝，重慶大學(xué)李友榮教授團隊在流場的數(shù)值模擬方面提供了幫助。該工作也被遴選為當期的Cover論文。
通訊作者簡介：
陳小強，教授，博士生導(dǎo)師；國際學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B (工程技術(shù)一區(qū)；IF: 7.100)編輯。2008年1月于大連理工大學(xué)精細化工國家重點實驗室獲得工學(xué)博士學(xué)位; 2008年1月至2010年2月于韓國梨花女子大學(xué)納米科學(xué)部從事有機功能分子的合成及其在化學(xué)生物學(xué)傳感方面的應(yīng)用研究；2010年3月回國于材料化學(xué)工程國家重點實驗室工作至今。國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者、江蘇省杰出青年基金獲得者、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才（B類）、江蘇省“青藍工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“333工程”培養(yǎng)對象。承擔國家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年基金、省教育廳重點基金等多個項目。以一作及通訊作者在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Nature Protocols, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Biomaterials, Biosensors and Bioelectronics, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., Org. Lett., Ind. Eng. Chem. Res.等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI文章100余篇，獲授權(quán)專利9項。論文被他人引用10000余次，11篇論文入選ESI高被引論文， h指數(shù)44。
論文信息：
Yahui Chen, Yefei Liu, Sheng Lu, Shuang Ye, Hao Gu, Jian Qiang, Yourong Li*, and Xiaoqiang?Chen*，Photostimulated Spiropyran for Instantaneous Visualization of Thermal Field Distribution and Flow Pattern，J. Am. Chem. Soc.,?2020, DOI: 10.1021/jacs.0c09460
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