Evaporative thermo-fluidics and deposition patterns in surface-active droplets
SDS 濃度超過 0.5 CMC 時反而會降低液滴蒸發率，PIV 實驗證實馬倫哥尼溶質對流主導了熱流體傳輸。
- 疏水基板蒸發率隨 SDS 濃度上升，親水基板則在 0.5 CMC 後下降。
- 馬倫哥尼溶質平流主導液滴內部循環，影響力遠超熱平流與浮力驅動流。
- 高濃度表面活性劑引發的擁擠效應與黏性阻力，導致了接觸線的黏滑行為。
表面活性劑（Surfactant）加入液滴後，並非單純加速水分蒸發。最新物理流體力學研究顯示，在親水性基板上，十二烷基硫酸鈉（SDS）的濃度若超過 0.5 CMC（臨界膠束濃度），液滴的蒸發速率反而會開始下降；而在疏水性表面上則會呈現穩定上升的趨勢。這項結合紅外線熱成像與粒子影像測速的最新實驗，揭開了液滴內部複雜的熱流體運輸機制與沉積圖案成因。
親水與疏水基板上 SDS 表面活性劑的蒸發軌跡
研究團隊透過壓克力腔室內的固著液滴（sessile droplet，靜置於固體表面的液體）實驗配置，觀察含有表面活性劑的液滴在乾燥過程中的熱溶質運輸現象。液滴蒸發並非單純的水分流失，而是一個涉及熱量傳導與質量傳輸的複雜動態過程。加入十二烷基硫酸鈉（SDS）這種廣泛應用的陰離子表面活性劑後，液滴的蒸發行為會因為接觸面材質的不同而產生顯著的分歧。實驗特別涵蓋了親水性與疏水性兩種基板，並藉由陰影成像技術（shadowgraphy）精確計算出整體的蒸發速率。
觀察疏水性表面時，實驗數據呈現出直觀的正相關趨勢。也就是說，蒸發速率會隨著 SDS 表面活性劑濃度的增加而持續提升。表面活性劑的加入有效降低了液體的表面張力，改變了液滴在疏水基板上的接觸角，使得液滴能夠以更有效率的方式進行氣液交換，進而加速了整體的乾燥進程。
切換到親水性基板後，流體力學的動態發生了非線性的反轉。當 SDS 濃度低於 0.5 CMC（臨界膠束濃度，即表面活性劑分子開始大量聚集形成膠束的界線）時，蒸發速率同樣呈現上升趨勢。然而，一旦濃度跨越這個關鍵閾值，蒸發速率不僅沒有繼續攀升，反而出現了明顯的下降現象。這種因基板潤濕性差異而導致的蒸發速率波動，凸顯了介面化學與流體力學之間的複雜連動。
PIV 測速與紅外線熱成像解碼內部流場動態
為了拆解蒸發速率變化背後的物理機制，研究人員同步導入了多種高精度的非接觸式測量技術。利用紅外線熱成像（Infrared thermography）技術，團隊得以即時捕捉液滴在蒸發過程中的表面溫度分佈。液滴表面溫度的微小梯度變化，直接反映了水分蒸發時潛熱釋放與液滴內部熱傳導的動態平衡狀態，為理解熱平流提供了視覺化的基礎。
採用 PIV（粒子影像測速，透過追蹤流體中微粒移動來計算內部流速）技術進行觀測，則提供了液滴內部流場的精確定量分析。實驗過程中提取出的平均流速數據，完美解釋了陰影成像技術所記錄到的蒸發速率波動。流動速度的快慢，直接決定了液滴內部溶質與熱量向氣液介面傳遞的效率，流速越快，蒸發的補充機制就越活躍。
比對這些影像與流速數據後發現，液滴內部的平流強度高度依賴於表面活性劑的濃度以及基板的物理特性。流場的活躍程度並非靜態不變，而是隨著蒸發的進行、邊緣水分流失導致局部濃度逐漸攀升的過程中，經歷了複雜的動態演化。這說明了巨觀的蒸發時間，其實是由微觀的內部對流速度所主導。
溶質馬倫哥尼效應主導液滴的熱流體傳輸
探討驅動液滴內部流動的機制時，理論標度分析（scaling based analysis）與實驗數據展現了高度的一致性。透過流體力學公式計算得出的馬倫哥尼流速（Marangoni velocities），與 PIV 實際測量到的數值緊密吻合。這項發現從物理學角度證實了，表面張力梯度是驅動微觀流體在液滴內部循環的核心動力。
深入比較不同的對流機制，研究明確指出馬倫哥尼溶質平流（Marangoni solutal advection）在系統中佔據了絕對的主導地位。相較之下，由溫度梯度引起的馬倫哥尼熱平流，以及由液體密度差異產生的浮力驅動流，在整體流場中的影響力明顯偏弱。蒸發過程中邊緣與中心產生的溶質濃度差異，創造了強大的表面張力梯度，成為推動液體內部循環的最強引擎。
掌握這種對流的強度，等於掌握了液滴乾燥後沉積圖案的關鍵。無論是工業上的噴墨列印、精密表面塗層，還是生醫晶片的檢測，溶質對流的活躍程度與方向，直接決定了懸浮微粒最終在基板上的分佈狀態。強烈的馬倫哥尼流動往往能有效調配內部微粒，使得沉積物分佈得更加均勻。
表面活性劑擁擠效應與接觸線的黏滑現象
推動流體的馬倫哥尼動力並非無限制地增長。當 SDS 表面活性劑的濃度持續升高，特別是在蒸發後期水分大量流失時，氣液介面上會出現明顯的表面活性劑擁擠（surfactant crowding）現象。大量分子密集聚集在表面，加上伴隨而來的黏性阻力急劇增加，會對內部的液體流動產生強烈的抑制作用。
針對不同濃度下進行的表面張力與黏度測量實驗，為這種黏滯力抑制對流的理論提供了量化證據。高濃度環境下的流體變得更加濃稠，這種微觀層面的黏滯阻力，不僅阻礙了內部循環的流暢度，也直接導致了高濃度時溶質平流強度的衰減。這項機制的發現，完美解釋了為何親水基板上的蒸發速率會在超過 0.5 CMC 後出現反轉下降。
追蹤固液氣三相交界的接觸線移動速度時，研究團隊記錄到了劇烈的速度波動。這種數據上的突發性波動，生動地描繪了液滴在乾燥過程中的黏滑行為（stick-slip behaviour），也就是邊緣在釘扎固定（stick）與收縮滑動（slip）之間不斷交替。接觸線速度的計算結果與顯微鏡下的視覺觀察完美互補，重現了含有表面活性劑的液滴從液態蒸發到固態沉積的完整動態輪廓。
表面活性劑的濃度與基板潤濕性決定了馬倫哥尼流動的強弱，精確調控這兩個變數，將是未來控制微觀液滴乾燥與沉積圖案的核心解法。