2021年全国大学生物理学术竞赛中提出了这样一个探究性问题：当一滴水混合物（例如水~乙醇）放置在疏水性液体（例如植物油）的表面时，所产生的液滴有时会碎成更小的液滴。研究影响碎裂和最终液滴大小的参数。这种通过添加可混合溶液来调节水的润湿性的方法通常用于涉及界面的各种工业过程中。本文通过实验研究了沉积在疏水性液体表面的水滴和挥发性酒精的物理演变过程。发现酒精蒸发引起的马兰戈尼流动在整个现象中起着关键作用，并从液滴扩散半径、液滴爆炸持续时间两个维度来衡量碎裂现象，理论分析找出影响该现象的相关参数，实验验证相关参数影响碎裂和最终液滴大小的关系。其中流体力学、润湿和蒸发的复杂耦合被很好地捕捉到。本文也得到了涉及其他液体组合的实验的证实，这些液体组合也很好地满足了上述现象及结论。

1预实验

1.1实验装置

为了还原物理现象，初步探究液滴爆炸的原因，本文首先进行了预实验。实验中所用到的物品包括：医用75%酒精和蒸馏水混合形成水混合物液滴，家用菜籽油用作油池，普通蓝墨水染色。在室温环境下进行实验，预实验中发现普通蓝墨水染色现象不明显，改进为采用甲基蓝染色剂进行染色。正式实验时准备了不同种类的水混合物（乙醇、二乙二醇丁醚），不同种类的疏水性物质（硅油、花生油、蓖麻油），不同厚度的疏水性物质（5 mm、10 mm），设置合适的浓度梯度，采用恒温水浴锅来测定温度。在显微镜下观察液滴的运动过程，精准测定液滴大小，利用注射器定量控制滴入液滴的体积，再利用黏度计测量黏性系数，并对实验误差进行了修正。

1.2实验现象

观察实验现象发现液滴爆炸分为三个阶段。阶段一：考虑到物质的相关基团的化学性质，混合液滴受到张力梯度的驱动在油面上扩张。乙醇的蒸发改变了扩散边缘附近的混合物的浸湿特性，结合油层的黏滞效应，扩张迅速地停止。阶段二：紧接着由于乙醇蒸发的不均匀性，边缘处的液滴呈现出局部聚集的态势，产生类似于“液滴喷发”的现象。在该过程中液滴中部较厚的部分不断向边缘输送液体，因此会稳定地持续一段时间。阶段三：随着液滴爆炸进入尾声，液滴的喷发的边缘会快速地缩小。

2理论分析

2.1分子结构

液滴爆炸现象的第一个阶段混合液滴在疏水性物质上先扩散后停止，为解释这一阶段，先从分子结构入手。乙醇是一种弱极性分子，乙醇中的羟基亲水，烃基亲油。宏观上乙醇在油表面的接触角小于90°,因此乙醇可以在油表面扩散，也就是说当混合液体中酒精浓度超过某一阈值，液滴扩散。当酒精蒸发时，液滴外围变得富含水，外围局部酒精浓度小于阈值，扩散停止。

图1实验装置实物图

图2分子结构

图3受力分析

2.2表面张力

液滴爆炸现象的第二阶段边缘处的液滴产生液滴喷发现象，在该过程中液滴中部较厚的部分不断向边缘输送液体，因此会稳定持续一段时间。为解释这一阶段，先从表面张力入手，因为接触角的不同，水对油的表面张力大于乙醇对油的表面张力，则混合液体对油层的界面张力介于水和乙醇之间。混合液滴中乙醇的比例越大，混合液体对油层的界面张力越小，受到向内的张力减小，这样整体向外的张力增大，这是产生向外推动的驱动力的重要原因。可见界面张力直接决定了液滴在界面上的扩散和运动。