耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，一個(gè)遠(yuǎn)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(huì)的、經(jīng)濟(jì)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(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，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(shí)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(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與重慶大學(xué)李友榮教授團(tuán)隊(duì)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(xì)對(duì)流現(xiàn)象有關(guān)，而后者常常卷入晶體生長(zhǎng)、液滴的蒸發(fā)和微流體流動(dòng)等過程當(dāng)中。開發(fā)有效工具用來認(rèn)識(shí)和了解熱毛細(xì)對(duì)流過程中流體的動(dòng)態(tài)行為對(duì)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(cè)量光學(xué)工具，顆粒圖像測(cè)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(xì)對(duì)流的流動(dòng)。然而，截止到目前，以高時(shí)空分辨率在熱毛細(xì)對(duì)流過程中同時(shí)觀察溫度場(chǎng)的瞬態(tài)分布和流體流動(dòng)形式的具體細(xì)節(jié)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
圖1.?BS1-SP對(duì)碟形容器中二氯甲烷表面溫度場(chǎng)的可視化成像和成像機(jī)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(chǎng)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(chǎng)的冷區(qū)域。基于以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，陳小強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了BS1-SP可以對(duì)揮發(fā)性二氯甲烷表面溫度場(chǎng)進(jìn)行高分辨成像的機(jī)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(huì)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(huì)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(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)使用BS1-SP捕獲了二氯甲烷表面的“花瓣”狀溫度場(chǎng)分布，該“花瓣?duì)睢苯Y(jié)構(gòu)并通過有限體積法進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證了“花瓣”狀的溫度場(chǎng)分布是由流體表面張力和Marangoni效應(yīng)引起的流體對(duì)流共同驅(qū)動(dòng)的。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究中，該團(tuán)隊(duì)通過冷源誘導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氯甲烷表面溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(xiàng)工作意義有如下幾點(diǎn)：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(dòng)力學(xué)領(lǐng)域；其次，發(fā)現(xiàn)了一種針對(duì)流體表面溫度場(chǎng)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(yuǎn)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(dòng)態(tài)自組裝過程和流體動(dòng)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(duì)“花瓣”狀溫度場(chǎng)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(tuán)隊(duì)在流場(chǎng)的數(shù)值模擬方面提供了幫助。該工作也被遴選為當(dāng)期的Cover論文。
通訊作者簡(jiǎn)介：
陳小強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師；國(guó)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(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲得工學(xué)博士學(xué)位; 2008年1月至2010年2月于韓國(guó)梨花女子大學(xué)納米科學(xué)部從事有機(jī)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(guó)于材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作至今。國(guó)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(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“333工程”培養(yǎng)對(duì)象。承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年基金、省教育廳重點(diǎn)基金等多個(gè)項(xiàng)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI文章100余篇，獲授權(quán)專利9項(xiàng)。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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