“要是米开朗琪罗当年掌握了这项技术”
“这不像是在画画，更像是在受刑。”据传在500多年前于西斯廷教堂天顶绘制《创世纪》时，米开朗琪罗一边与迎面倾泻到脸上的颜料搏斗，一边如此感叹。历时4年完成这部作品的过程中，从天花板上滴落的颜料对他而言本身就是一种痛苦。韩国本土研究团队如今开发出一项有望化解米开朗琪罗当年痛苦的技术，也就是所谓在头顶接住坠落颜料的技术。其原理不仅适用于天顶画，还可解决倾斜表面上液膜坍塌的问题，有望应用于精密涂层、电子电路印刷、3D打印以及宇宙空间环境中的流体控制等多个产业领域。
KAIST称，机械工程系 Kim Hyoungsoo 教授团队从界面流体力学（与作用于液体表面的微小力平衡相关的力学）角度，重新诠释了由重力引发的向下倾泻现象的根本原因——“重力不稳定性”，并提出了一种通过在倒挂的液体中混入少量挥发性液体来加以控制的方法。上述内容于12日对外公布。
米开朗琪罗在绘制《创世纪》时之所以感到痛苦，是因为在天花板上反复涂抹颜料时，颜料无法完整停留在天花板上，而是不断往下滴落。这与浴室天花板上水汽冷凝形成一层薄水膜，随着时间推移水膜逐渐汇聚成水滴并最终滴落下来的原理相同。
关键在于重力。附着在上方表面的液体在重力作用下坍塌的现象，被称为“瑞利–泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）”。此前人们一直认为，只要存在重力，这种现象就无法避免.
但研究团队通过在倒挂的液体中混入少量挥发性液体，设计出抑制“瑞利–泰勒不稳定性”的方案。挥发性成分蒸发后，液体表面的浓度分布会随之改变。液体表面会产生一种将自身向内拉拢的作用力，使液滴得以保持近似球形。
当表面张力出现差异时，张力较大的一侧会拉拽张力较小的一侧，从而沿表面产生流动，这一现象被称为“马兰戈尼效应（Marangoni effect）”。研究团队通过实验和理论分析证实，这种表面流动能够抓住本应下落的液体，从而抑制重力导致的不稳定性。
例如，在水面上均匀撒上一层胡椒粉，胡椒粉会静静漂浮在水面上。但若在中央滴入一滴洗涤剂，胡椒粉就会瞬间被推挤到边缘。这是因为洗涤剂接触到的区域表面张力比周围更弱，表面张力更强的外围区域会拉拽液体，从而在表面形成流动，并带动胡椒粉颗粒一同移动。
研究团队在本次研究中，正是利用挥发性液体蒸发时所产生的这种表面张力差异。不同之处在于，这一次不是把胡椒粉往外推，而是将液体向上拉，从而抑制其向下坠落的力量。
在具体应用中，在某些特定条件下，液膜在重力作用下仍能一直保持不坍塌；在另一些条件下，则观察到液滴并不脱落，而是液膜出现周期性振动这一全新的行为。这表明，仅凭液体组成和蒸发等自然过程、无需外部能量供给，也可以对重力不稳定性进行主动控制。
这一原理可在精密涂层、印刷、叠层工艺等领域实现更薄且更均匀的液膜，也有助于在倾斜表面上实现稳定涂布。研究团队预计，借此可在3D打印工艺以及宇宙空间等特殊环境中应用流体控制技术。可以说，这项研究有望突破米开朗琪罗500多年前所遭遇的物理极限，并延展为未来的产业技术。
Kim 教授表示：“本研究的意义在于，证明了可以利用液体组成和蒸发等自然过程，在无需外部能量的情况下主动控制重力不稳定性。该原理不仅可应用于涂层、印刷、叠层工艺，还可拓展至宇宙空间环境中的流体控制技术。”
此次研究由机械工程系 Choi Minwoo 硕博连读课程学生作为第一作者参与。研究成果（论文）近日已在国际学术期刊《Advanced Science》在线发表，并被选为封面论文（Frontispiece）。
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