大连理工大学能源与动力学院科研团队在油-水界面微观传质研究方面取得进展

文章导读

你是否想过，水分子竟能“逆流而上”穿透油层？大连理工大学宋永臣、张伦祥团队首次揭示：非稳态温度场可触发油-水界面的马兰戈尼对流，驱动水分子定向入侵油相，形成纳米乳液，进而诱发水合物异常生成。这项发表于《自然·通讯》的研究，不仅破解了多相流传质中长期存在的分子传输谜题，更为深水油气输送、生物制药等领域的界面调控提供了全新思路。颠覆认知的微观传质机制，正在改写工程现实。

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近日，在国家自然科学基金项目（批准号：52476058）资助下，我校能源与动力学院宋永臣教授、张伦祥副教授研究团队在油-水界面微观传质研究方面取得进展。研究成果以“热马兰戈尼自然对流驱动不相溶液体中的分子定向传输（Thermal Marangoni natural convection enables directional transport across immiscible liquids）”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊，国家自然科学基金委员会对该成果进行了报道。论文第一作者为能源与动力学院博士生王纪广。

图马兰戈尼自然对流驱动水分子定向传质。（a）非稳态温度场驱动的马兰戈尼自然对流；（b）油-水界面水分子羟基入侵现象；（c）油-水界面和气-水界面水分子羟基的和频光谱特征；（d）油-水界面水分子入侵过程的磁化偏移规律；（e）油相内入侵水分子的红外光谱特征；（f）水分子定向传质过程的对流强度演化；（g）非稳态温度场驱动的马兰戈尼自然对流理论模型。

探明不相溶液体界面分子传输规律是多相传质机理研究的核心问题之一，对油气输送、先进制造、生物制药和空间技术等领域具有重要意义。以深水油气多相混输体系界面传质研究为例，传统认为油-气-水三相共存时，气体分子穿过油-气界面向油-水界面扩散传质，最终在油-水界面及水相中生成水合物固相堵塞；然而，在油-气界面处，往往发生气体分子与水分子相结合的水合物生成异常，水分子穿过油-水界面向气相传质的动态规律与主控机制亟待解明。

研究团队系统研究了油-水界面分子定向传输规律及其主控机理。研究表明，非稳态温度场产生了油、水两相内界面张力-密度的非线性梯度场，进而诱发了环状马兰戈尼自然对流（流速~10^-4m/s），主导了相界面油、水分子的反向运动摩擦。建立了气-油-水双界面穿透/反射的和频光谱原位表征方法，发现了油-水界面处水分子的弱氢键作用及羟基振动特征。因此，在马兰戈尼自然对流作用下，弱氢键水分子穿过油-水界面向油相动态入侵，在油相中成簇团聚为稳定的纳米乳液分散体系。非稳态温度场导致的油-水体系平衡偏离程度控制了马兰戈尼自然对流强度，决定了水分子入侵数量及纳米乳液直径，最终诱发油-气界面水合物生成异常。

该研究实现了不相溶液体中的分子定向传输，为多相界面分子传质机制研究提供了新的见解，有望在油气输送、先进制造、生物制药和空间技术等研究领域发挥重要作用。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60930-y

来源：能源与动力学院
编辑：常思萌