流速与颗粒间作用力协同驱动黏土侵蚀的微观力学机制研究

本综述通过构建可视化微流控实验平台，首次实现黏土颗粒在流体剪切下分离-迁移-碰撞黏附行为的动态观测，揭示流速主导与颗粒间作用力（静电排斥/范德华力/水化斥力）协同调控侵蚀的定量机制，为土壤侵蚀防治提供关键理论依据。

　　

Highlights

Montmorillonite inter-particle force distribution

图3展示了蒙脱石颗粒间作用力的分布规律。随着电解质浓度降低，相同颗粒间距下的静电排斥力（Electrostatic Repulsion）逐渐增强；当浓度降至10^-2 mol/L后，静电排斥力变化趋于平稳（图3a）。静电排斥力在电解质浓度为1 mol/L时衰减最快，而范德华力（van der Waals Force）和水化斥力（Hydration Repulsion）受浓度影响较小。通过计算净作用力（Net Force）发现，当颗粒间距为2 nm时，临界净排斥力阈值为5.72 atm（图3b）。超过该阈值，颗粒间以排斥力为主导，显著促进黏土团聚体的崩解。

Mechanism of interparticle forces affecting soil dispersion during wetting

研究表明，低浓度电解质溶液润湿黏土样品时，会引发显著的颗粒分散和细颗粒优先释放现象。其根本机制在于低离子强度环境削弱了黏土颗粒表面负电荷的屏蔽效应。依据DLVO理论，静电排斥力的增强导致能垒（Energy Barrier）升高，使颗粒更容易克服吸引力而分散。这种微观力学变化直接决定了侵蚀初期团聚体的稳定性，并为后续流体驱动下的颗粒迁移奠定基础。

Conclusions

本研究通过微流控技术突破了传统侵蚀试验的观测局限，定量揭示了宏观流速与微观颗粒间作用力的耦合调控机制。临界净排斥力阈值（5.72 atm）的确定，为预测黏土侵蚀敏感性提供了关键参数。流速增加10倍可导致侵蚀速率提升7.5–13倍，且主导颗粒碰撞频率；而颗粒间排斥力则通过调控分散程度协同放大侵蚀效应。该研究为土壤侵蚀的微观力学机制提供了创新性见解。