化学系统中的对称性破缺：通过自组织与马兰戈尼流构建复杂性的工程策略

《Advanced Science》：Symmetry Breaking in Chemical Systems: Engineering Complexity Through Self-Organization and Marangoni Flows

本综述系统探讨了Belousov–Zhabotinsky（BZ）反应中化学波与Marangoni流的耦合机制，揭示了亲水性障碍物表面蒸发诱导的流体动力学不稳定性如何导致时空对称性破缺。研究发现，在开放体系中蒸发驱动的热/溶质Marangoni力（Ma ≈ 250）主导了波前失稳，形成花瓣状图案（petal number ∝ obstacle diameter），为微流控器件中化学波传播的精确调控提供了新范式（如化学计算、胶体自组装应用）。

　　

引言：对称性破缺与自组织现象

在远离平衡态的化学与生物系统中，反应-扩散耦合可形成复杂的时空图案。Belousov–Zhabotinsky（BZ）反应作为经典的非平衡系统，能够产生旋转螺旋波、靶波和图灵图案。本研究通过引入亲水性圆柱障碍物，探究Marangoni流对化学波动力学的调控机制。

实验结果

实验体系与波动力学基础

实验采用改良的CHD-BZ反应体系，以1,4-环己二酮为无气泡有机底物，ferroin为氧化还原指示剂。亲水性PDMS障碍物阵列（直径1-3.8 mm，高度3 mm）诱导溶液形成爬升薄层（厚度20-100 μm），成为化学波的同步化起源中心。

覆盖与开放体系的对比

在覆盖体系中（蒸发抑制），障碍物持续产生圆形波（波速7 mm/min，周期45秒），波前保持稳定传播（图1C-D）。开放体系中显著蒸发引发热/溶质Marangoni流，导致波前失稳形成花状图案（图1E-F）。花瓣数量与障碍物直径呈线性关系（图4F），且存在最小直径阈值（0.5 mm以下无失稳）。

障碍物几何效应与流体动力学机制

矩形与三角形障碍物实验表明，曲率边界处蒸发速率更高，波前失稳优先发生于这些区域（图8）。锥形障碍物实验证实，接触线周长减小会导致波长压缩但花瓣数量不变（图10）。侧视成像显示接触线钉扎现象（图6C-E），证实毛细流与蒸发补偿机制。

溶质Marangoni主导性验证

通过无量纲分析证实溶质Marangoni数（M_S ≈ 250）显著高于热Marangoni数（M_T），因Lewis数倒数Le^-1 = D/κ ≈ 10^-2（公式3）。扩散时间与界面弛豫时间比值T_diff/T_relax < 1（公式6-7）表明系统对Marangoni驱动的不稳定性具有敏感性。

数值模拟与理论模型

采用二元流体（乙醇-水体系）模型模拟溶质Marangoni不稳定性。计算显示 azimuthal扰动模式（波数m）的稳定性取决于Marangoni数（Ma）：低Ma（≤100）时系统稳定，高Ma时高阶模式失稳（图13）。三维组分场可视化再现了实验观察的花瓣状图案（图14），证实表面张力梯度驱动的正反馈机制。

应用前景与展望

该研究为微流控器件中的化学波定向控制提供了新策略，尤其在化学计算、胶体自组装打印和智能材料领域具有应用潜力。通过调控障碍物几何形状与蒸发条件，可实现图案化波传播的精确编程，为生物模仿性执行器设计提供理论基础。

实验方法概要

CHD-BZ反应混合物在等离子处理的PDMS模具中进行，通过Hilbert变换相位映射分析波动力学。数值模拟采用pyoomph库有限元方法，求解考虑蒸发边界条件的Stokes方程与对流-扩散方程，并引入线性表面张力关系σ(y_A) = σ(y_A,0) + y·?σ/?y_A（公式10）。