塩水液滴の蒸発は基礎的な物理化学現象であり、分離技術、海水淡水化と結晶工学などの分野で重要な応用がある。蒸発過程では、液滴内部に複雑な流れが形成され、溶解物質の最終分布と結晶形態が決定される。液滴内部の流れは主に2つの重要なメカニズムによって制御される：密度差によって駆動されるRayleigh対流（Rayleigh convection）と表面張力勾配によって駆動されるマランゴニ効果（Marangoni effects）。しかし、異なる界面熱条件下では、この2つのメカニズム間の相互作用と主導的な地位転換は、現在もシステムの定量的な研究が不足している。そのため、これらの内在的な流動機構を深く理解することは、結晶堆積形態の正確な制御を実現するために重要である。

近日中に、大連理工大学ファインケミカル国家重点実験室、スマート材料フロンティア科学センターの賀高紅教授と姜暁浜教授チーム、化学工業分野の国際定期刊行物「Chemical Engineering Science」と題する記事を掲載した「蒸発する 『 塩水滴の流れ変化：レイリー対流とマランゴニ効果の相互作用』の研究論文を発表した。

本研究はシステムの実験と計算流体動力学（CFD）シミュレーションを結合し、異なる幾何構造と熱条件下で塩水液滴の蒸発過程における内部循環機構を深く探究した。研究はレイリー対流とマランゴニ効果の相互作用によって制御される異なる循環モードを明らかにした。このうち、研究チームは、マイクロ立体リソグラフィ（PμSL）技術（nanoArch® S140 Pro，精度：10μm）3 D印刷システムにより液滴マイクロプラットフォームを作製した。

研究により、常温条件下で、液滴内部は主にレイリー対流によって駆動され、その接触角の大きさは最終的な堆積形態を決定した：90°未満でエッジ堆積を形成し、90°より大きい場合で中心堆積を形成する。温度を正確に調整することによって、内部流動パターンの根本的な転換を実現した。1つの重要な発見は、温度差が特定の臨界閾値を超えると、熱マランゴニ効果がレイリー対流を圧倒し、流動パターンの逆転を引き起こすことである。また、固液界面の熱伝達係数も流動支配機構を制御する重要なパラメータであることが確認され、その値が10 W/m 2・K未満の場合、流動はレイリー対流に支配される、一方、100-1000 W/m 2・Kの範囲では、熱マランゴニ効果が主導的な地位を占めている。最終的に、この仕事は無次元Rayleigh数（Ra）とマランゴニ数（Ma）に基づく総合相図を構築し、異なる蒸発条件下の流動状態遷移を予測し制御するために強大な定量ツールを提供し、それによって界面熱制御を通じて結晶堆積形態の正確な制御を実現するために理論基礎を打ち立てた。

シミュレーションの正確性を確保するために、研究チームは光学と赤外線熱イメージングを含む同期特徴づけシステム（図1）を構築し、それによってCFDモデルを検証した。図2に示すように、シミュレーション結果は液滴の幾何学的発展、界面温度分布と内部流場などの重要なパラメータの上ですべて実験データと高度に一致し、例えば、シミュレーションと実験の界面温度分布の相対的な違いはわずか0.05114%で、十分にこの数値モデルの信頼性を実証した。

研究によると、液滴の接触角は流動モードと最終堆積形態を決定する重要な要素である（図3）。接触角が90°未満の場合、最大蒸発速度は三相接触線に現れ、これはレイリー対流と溶質マランゴニ効果の共同主導による時計回りの流れを駆動し、最終的に「コーヒーリング」状の堆積を形成する。一方、接触角が90°を超えると、蒸発速度が液滴頂点に移り、上部時計回り、下部反時計回りの二重循環流を引き起こし、この独特な流場構造は結晶が中心領域で凝集することをもたらす。

液滴の接触半径も結晶化過程に影響する（図4）。120°接触角では、接触半径の増加に伴い浮力効果によって駆動される内部濃度勾配が強化されることが分かった。より長い循環経路は結晶核に十分な溶質吸収時間を提供し、これはより大きなサイズの結晶を形成するのに役立ち、この現象はシミュレーションと実験の走査電子顕微鏡画像で確認された。

熱境界条件を調整することで内部流を能動的に制御することができる（図5）。研究により、界面熱伝達係数（h）は流動パターンを決定する鍵であり、低熱伝達係数（h<10 W/m 2・K）はレイリー対流主導の時計回りの流動維持に有利であることが分かった。熱伝達係数が100〜1000 W／m 2・Kの範囲に増加すると、基板加熱による温度差は、熱マランゴニ効果を他の効果を圧倒し、流れパターンを反時計回りサイクルに逆転させるのに十分である。

加熱条件下では、内部流はレイリー主導からマランゴニ主導への動的遷移を経験する（図6）。本研究はこの転移が発生する臨界温度差を正確に定量化し、120°接触角の液滴に対して、この値は0.94 Kである；60°接触角の液滴に対して、より強い溶質マランゴニ効果のため、より高い温度差（1.34 K）が逆転を実現するために必要である。この結論は、温度による内部流れの正確な調整に定量的な指導を提供した。

異なる条件下での流動状態を系統的に予測するために、研究チームは無次元Rayleigh数（Ra）とマランゴニ数（Ma）に基づいて流動相図を構築した（図7）。これらの相図は、レイリー主導（ピンク領域）、マランゴニ主導（青領域）、および両者が共通して作用する遷移流領域を明確に区分している。図8に示すように、異なる流れ状態間の遷移境界はべき乗則関係によって正確に記述でき、液滴内部の流れを定量的に制御するための有力なツールを提供する。

本研究は蒸発塩水液滴中のレイリー対流とマランゴニ効果の間の競争と協同機構を系統的に明らかにし、液滴幾何形状と熱境界条件が内部循環と最終結晶モードに決定的な影響を与えることを発見した。異なる接触角における流動パターンと堆積形態の対応関係を明らかにした：90°未満では「コーヒーリング」状堆積を形成し、90°より大きい場合では中心化堆積を形成する。また、流動モードに対する熱条件の制御作用を定量化し、熱マランゴニ効果の主導的地位を実現する臨界温度差と界面熱伝達係数の範囲を確定した。最終的に構築されたRa−ma相図は、異なる熱学的および幾何学的条件下でサイクルモードを予測するための信頼性の高いツールを提供する。これらの成果は界面条件を正確に調整することによって蒸発結晶化過程を最適化するために理論的基礎を提供し、蛋白質結晶、化学マイクロ反応器、生物分析プラットフォームなどの分野で応用可能性がある。