140年後，複雜流體中的新對流不穩定性現身

距瑞利勳爵的研究 140 年後，一種全新的對流不穩定性已被預測且經實驗發現。

對流不穩定性對於我們的日常生活，以及大氣和海洋科學中的生態與氣候而言，都具有極其重要的意義。

一個廣爲人知的例子是瑞利 - 泰勒不穩定性，每當較輕的流體垂直向上涌入較稠密的流體時便會產生，火山爆發和核爆炸後的核蘑菇雲即爲實例。

約 140 年前，瑞利勳爵在一系列論文中闡明瞭對流不穩定性的機制（用於量化不穩定性起始的無量綱瑞利數便是以他的名字命名的），而且作爲一種物理和自然現象，因動態不穩定性而產生自組織空間模式，仍在被深入研究。

與米蘭大學的實驗同事緊密協作，在瑞利勳爵開展相關工作 140 年後，我們發現並通過數學方法預測了一種新的對流不穩定性。

在瑞利 - 泰勒不穩定性中，較輕的流體起初處於底部，較重的流體位於頂部，所以流體混合物在初始條件下於重力方面是不穩定的。

然而，在我們的實驗中，我們考慮了相反的情況：較重的液體（甘油）起初處於底部，較輕的液體（水）則處於較重液體之上。因此，該系統在重力作用下是穩定的，沒人會料到會出現不穩定的情況。此時，我們向系統中添加二氧化硅納米顆粒。

二氧化硅納米顆粒傾向於向上移動來使其界面能最小化，也就是說，它們從富含甘油的下部區域朝着富含水的上部區域移動：這稱作擴散泳過程。

由於膠體納米顆粒的這種向上擴散，富含水的層中形成了局部較爲密集的區域，隨後這些區域被重力推回。這標誌着流體動力不穩定性的開端。後者表現爲用光照射樣品所獲得的結構因子裡的峰值，同時伴有圖案形成。

實際上，局部膠體含量少的區域中的細胞被富含膠體納米粒子的“臂”所包圍。在我們的光學實驗中，所形成網絡的“臂”呈現出明亮的熒光，與深藍色的膠體耗盡區域形成對比。最終，長時間後，圖案形成以相分離告終。

這是一種新的物理效應（不同於瑞利 - 泰勒和瑞利 - 貝納德不穩定性），我們已經用納米粒子和溶質（甘油）的耦合擴散方程對其進行了數學建模，據此，我們能夠依據瑞利數預測不穩定性的開端。

這一發現對於技術和環境保護均具有廣泛的潛在應用價值。例如，這種對流不穩定性能夠通過誘導網絡“臂”中納米粒子的凝結來實現新型微觀結構材料，這可能是溶膠 - 凝膠過程的新途徑，並製造具有可控內部微觀結構的新材料。

這種新的對流不穩定性還可用作在各類工業、製藥及自然系統中分離流體混合物的一種方法，也能夠用於從流體中分離諸如微塑料之類的膠體污染物。最後，它可以解釋從斑馬到熱帶魚等動物皮膚上彩色圖案和條紋的形成。

阿萊西奧·扎科內於 2010 年在蘇黎世聯邦理工學院化學系獲得博士學位。2010 年至 2014 年，他是劍橋大學卡文迪什實驗室的奧本海默研究學者。在慕尼黑工業大學（2014 - 2015 年）和劍橋大學（2015 - 2018 年）任教後，自 2022 年起，他在米蘭大學物理系擔任理論物理學全職教授和系主任。所獲獎項包括蘇黎世聯邦理工學院銀牌、哥廷根科學院 2020 年高斯教授職位、劍橋皇后學院的研究員以及歐洲研究理事會整合者資助（“Multimech”）。

研究貢獻包括堵塞轉變問題的解析解（扎科內和斯科薩 - 羅馬諾，發表於《物理評論 B》2011 年）、二維和三維隨機密堆問題的解析解（扎科內，發表於《物理評論快報》2022 年）、剪切流中熱激活反應速率過程的理論（扎科內等人，發表於《物理評論 E》2009 年）、剪切流下晶體成核的理論（穆拉和扎科內，發表於《物理評論 E》2016 年）、晶體振動光譜中類玻色峰的理論預測（米盧斯和扎科內，發表於《物理評論 B》2016 年；巴焦利和扎科內，發表於《物理評論快報》2019 年）、聚合物中玻璃化轉變的理論（扎科內和特倫捷夫，發表於《物理評論快報》2013 年）以及由於聲子阻尼導致的超導增強效應的理論預測（塞蒂、巴焦利、扎科內，發表於《物理評論 B》2020 年）。研究興趣從無序系統的統計物理學（隨機堆積、堵塞、玻璃和玻璃化轉變、膠體、非平衡熱力學）到固態物理學和超導性。