《Advanced Materials Interfaces》：Time-Resolved Simultaneous Mapping of Thickness and Nanoparticle Concentration in Nanofluid Thin Films via Imaging Ellipsometry and Deep-UV Reflectance Imaging
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量化动态液膜内纳米颗粒的时空分布，是优化溶液加工、功能涂层及自组装过程的基础。然而，在纳米至微米尺度范围内同时解析液膜厚度与局域颗粒浓度仍是一项重大挑战。研究人员建立了一种双通道计量框架，将相移成像椭偏技术与深紫外反射成像相结合，实现了几何厚度效应与材料本征消
量化动态液膜内纳米颗粒的时空分布，是优化溶液加工、功能涂层及自组装过程的基础。然而，在纳米至微米尺度范围内同时解析液膜厚度与局域颗粒浓度仍是一项重大挑战。研究人员建立了一种双通道计量框架，将相移成像椭偏技术与深紫外反射成像相结合，实现了几何厚度效应与材料本征消光效应的解耦，从而在无标记条件下同步绘制了薄膜厚度与纳米颗粒质量分数的分布图。该方法以硅基底上负载癸酸改性二氧化硅（SiO2）颗粒的正构烷烃液滴润湿动力学为研究对象进行了验证：超铺展庚烷纳米流体液滴在接触线附近表现出显著的颗粒富集，而遵循坦纳定律（Tanner's law）的非烷纳米流体液滴则呈现出颗粒贫乏区。经质量守恒验证，该方法可直接获取薄膜内部动力学信息，为分析薄膜流动中的复杂输运现象提供了通用工具。
研究背景与意义
在印刷图案化、蒸发自组装、高折射率光学材料及热管理用纳米流体等领域，纳米颗粒分散体系的动态过程控制至关重要。以往研究多关注体相性质变化，但局部纳米颗粒诱导的结构分离压（structural disjoining pressure）等界面力可在薄膜内独立调控润湿行为。近年来发现的纳米流体超铺展现象无法仅用体相性质改变解释，表明接触线附近的纳米薄膜是主控因素。然而，现有表征技术面临显著瓶颈：原子力显微镜等局域探针难以捕捉时空动态过程；干涉与成像椭偏技术虽能实现大面积纳米级形貌测量，却无法探测浓度；可见光显微、拉曼光谱、核磁共振（NMR）及荧光显微等技术或因空间分辨率不足、或需引入标记物改变体系性质、或时间分辨率不够，均不适用于超薄动态液膜中单纳米颗粒的浓度定量。因此，开发能够同步、无标记、时间分辨地获取液膜厚度与纳米颗粒浓度的技术，成为揭示复杂输运机制的关键需求。
关键技术方法
研究人员构建了双通道光学计量平台，集成相移成像椭偏技术与深紫外反射成像。相移成像椭偏采用可见光波段（约632.8 nm）以规避纳米流体吸收，通过偏振编码相移序列获取每个像素的椭偏参数（Ψ, Δ），结合菲涅耳方程反演获得纳米至微米尺度的薄膜厚度分布。深紫外反射成像选用280 nm发光二极管（LED）光源，利用SiO2纳米颗粒在该波段的强本征吸收特性，采集反射强度图并结合基底参考图像计算反射率。通过建立考虑薄膜干涉相干与厚膜非相干的波动光学模型，利用预先计算的查找表（LUT）反演得到局域消光系数，进而通过校准因子换算为纳米颗粒质量分数。实验采用癸酸改性SiO2纳米颗粒分散于正构烷烃的体系，在饱和蒸气密闭腔室中进行液滴沉积与动态观测。
研究结果
原理与系统概述
研究人员通过同步共视场双通道光学采集，获得了液膜厚度h与深紫外反射率RUV的配准图谱。针对纳米薄膜区域采用相干多层模型处理干涉效应，厚膜区域采用非相干强度模型，成功从反射率中提取与颗粒浓度成正比的消光系数k。
校准与验证
通过宏观石英比色皿透射测量建立了消光系数与质量分数的线性关系，校准常数相对不确定度约为0.76%–1.03%。在非烷纳米流体液滴润湿实验中，通过积分全液滴区域的颗粒质量，验证了900秒内总颗粒质量保持恒定，证实了浓度反演的准确性与质量守恒，同时观测到极低的残余蒸发速率。
不确定度量化
基于误差传递定律分析了质量分数的不确定度来源。结果表明，在薄膜区域（h极小），不确定度主要受厚度测量误差主导；在高吸收区域（A极大），则受限于光度噪声。据此划定了方法的可靠测量区间。
时间分辨演示
对庚烷（超铺展）与非烷（常规润湿）纳米流体液滴的动态观测显示：庚烷液滴在铺展后期接触线附近出现明显的颗粒富集；而非烷液滴接触线附近则形成颗粒贫乏区。这种相反的输运行为直接揭示了超铺展与常规润湿过程中内部机制的显著差异。
讨论与结论
研究人员通过双通道光学计量框架，解决了传统方法难以在无标记条件下同步解析薄膜几何与组分构成的长期难题。该技术利用相移成像椭偏的高精度形貌测量能力与深紫外反射成像对材料本征消光的敏感性，实现了液膜厚度与纳米颗粒质量分数的时间分辨同步映射。应用于正构烷烃纳米流体液滴润湿研究，首次直接观测到超铺展过程中的颗粒富集与常规润湿过程中的颗粒贫乏两种截然不同的内部输运现象。这一技术无需荧光标记或化学修饰，避免了对外场行为的干扰，为揭示超薄液膜内的隐藏物理机制提供了强有力工具。该成果发表于《Advanced Materials Interfaces》，预期将在喷墨打印沉积图案优化、功能涂层制备及自组装过程调控中发挥重要作用，并为计算流体力学（CFD）模拟中纳米颗粒效应的建模与验证提供关键实验依据。
