????多孔介质蒸发受到大量环境因素的影响，如湿度、温度和气压等，但通常忽略了孔隙尺度的复杂性。理论上小孔隙中的液体因毛细作用的低水势而保持水分，但实验显示纳米通道中的蒸发速率超过了扩散动力学预测的动力学极限。处于小孔中的液体受到强烈的毛细作用并对气液界面的几何特征和物理特性产生不可忽略的影响，毛细作用下介质内部的气液界面蒸发特性仍需研究，通过建立二维微模型与土体的类比关系，可深入理解多孔介质孔隙水蒸发相变的关键特征（图1）。

图1?土壤蒸发示意图：(a)典型蒸发曲线；(b)土体与微柱阵列微模型的孔隙水分布类比图

????中国科学院武汉岩土力学研究所前沿交叉中心研究团队，针对毛细作用对孔隙蒸发界面特性影响机制不明的问题，基于光刻技术制备了三种孔隙尺寸可控的微阵列模型：稳定结构，失稳结构和螺旋结构，同时搭建了微米级实时成像系统（图2），通过高精度图像处理技术实现了气液界面演化的实时可视化。

图2?成像系统与微模型设计示意图：(a)实验装置；(b)稳定型：周向与径向间距相等（λθ=λr）且向外递减（?λ<0）；(c) 不稳定型：周向与径向间距相等（λθ=λr）但向外递增（?λ>0）；(d) 螺旋型：周向与径向间距不等（λθ≠λr）且向外递减（?λ<0）；(e) 三种大型微模型的间距参数；(f) 微模型结构示意图

????随后固定时间采集切片，液体和气液界面被准确识别，但不同位置的界面尚未根据控制机理进行区分。因此定义并定量计算外部气液界面（蒸发前沿）与内部气液界面（毛细补给区），通过特征长度追踪界面实时位置，通过蒸发过程中的界面迁移轨迹量化三种微模型的迂曲度（图3）。不同微模型的蒸发量化揭示外部界面贡献80%以上的蒸发通量，而内部界面因扩散路径增长及局部湿度抑制对蒸发贡献小于15%。

图3?蒸发过程中界面演变与特征长度变化示意图：(a) 微模型与土壤的类比关系；(b-d) 三种界面演进模式的瞬时图像（最后一列展示归一化时间t*下的界面演变过程，以及通过迁移轨迹线计算的迂曲度）；(e-g) 三种微模型特征长度的动态变化

????为了建立界面蒸发速率与界面曲率半径的定量联系，定义特征曲率半径对界面曲率特征进行评价（图4），通过曲率拟合的方法统计整个蒸发过程中内部与外部界面的特征半径，计算时考虑添加了平滑因子σ平衡计算效率与精度，对各切片的分布特征及整体界面的特征曲率变化规律进行了检验，误差均小于理论值的5%。

图4?特征曲率分布测定结果示意图：(a) 单柱结构，(b) 双柱结构，(c) 四柱结构；(d-f) 分别为不稳定型、稳定型、螺旋型微模型在选定帧下的界面曲率分布

????进一步研究发现螺旋型微模型在边界条件稳定的CRP阶段表现为特征曲率半径与界面蒸发速率的双对数负线性关系（图5），表明孔隙效应增强了微孔内的液体蒸发，结合文献发现尺度增强效应普遍存在，纳米级孔隙的蒸发速率甚至超越Hertz-Knudsen（HK）动力学上限。为孔隙蒸发控制的土壤盐渍化,水循环与多孔介质相变等提供了理论基础和机制框架，将界面热力学与网络尺度输运模型相结合，建立从纳米到宏观尺度的预测桥梁，从而实现对跨学科蒸发驱动过程的精确优化。

图5?三种微模型界面蒸发速率与特征曲率半径的关联关系(a)，以及文献中的实验数据(b)

????上述研究获得了NSFC国家自然科学基金42277178, 41702338, 51779254项目的资助，成果以论文“Interfacial Evaporation and Evolution in Porous Media: A Study of Pillar-Array Micromodel”发表于物理化学领域Top期刊《Journal of Colloid And Interface Science》。

????论文链接： https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138755

（作者：董毅）