140年后，复杂流体中的新对流不稳定性现身

距瑞利勋爵的研究 140 年后，一种全新的对流不稳定性已被预测且经实验发现。

对流不稳定性对于我们的日常生活，以及大气和海洋科学中的生态与气候而言，都具有极其重要的意义。

一个广为人知的例子是瑞利 - 泰勒不稳定性，每当较轻的流体垂直向上涌入较稠密的流体时便会产生，火山爆发和核爆炸后的核蘑菇云即为实例。

约 140 年前，瑞利勋爵在一系列论文中阐明了对流不稳定性的机制（用于量化不稳定性起始的无量纲瑞利数便是以他的名字命名的），而且作为一种物理和自然现象，因动态不稳定性而产生自组织空间模式，仍在被深入研究。

与米兰大学的实验同事紧密协作，在瑞利勋爵开展相关工作 140 年后，我们发现并通过数学方法预测了一种新的对流不稳定性。

在瑞利 - 泰勒不稳定性中，较轻的流体起初处于底部，较重的流体位于顶部，所以流体混合物在初始条件下于重力方面是不稳定的。

然而，在我们的实验中，我们考虑了相反的情况：较重的液体（甘油）起初处于底部，较轻的液体（水）则处于较重液体之上。因此，该系统在重力作用下是稳定的，没人会料到会出现不稳定的情况。此时，我们向系统中添加二氧化硅纳米颗粒。

二氧化硅纳米颗粒倾向于向上移动来使其界面能最小化，也就是说，它们从富含甘油的下部区域朝着富含水的上部区域移动：这称作扩散泳过程。

由于胶体纳米颗粒的这种向上扩散，富含水的层中形成了局部较为密集的区域，随后这些区域被重力推回。这标志着流体动力不稳定性的开端。后者表现为用光照射样品所获得的结构因子里的峰值，同时伴有图案形成。

实际上，局部胶体含量少的区域中的细胞被富含胶体纳米粒子的“臂”所包围。在我们的光学实验中，所形成网络的“臂”呈现出明亮的荧光，与深蓝色的胶体耗尽区域形成对比。最终，长时间后，图案形成以相分离告终。

这是一种新的物理效应（不同于瑞利 - 泰勒和瑞利 - 贝纳德不稳定性），我们已经用纳米粒子和溶质（甘油）的耦合扩散方程对其进行了数学建模，据此，我们能够依据瑞利数预测不稳定性的开端。

这一发现对于技术和环境保护均具有广泛的潜在应用价值。例如，这种对流不稳定性能够通过诱导网络“臂”中纳米粒子的凝结来实现新型微观结构材料，这可能是溶胶 - 凝胶过程的新途径，并制造具有可控内部微观结构的新材料。

这种新的对流不稳定性还可用作在各类工业、制药及自然系统中分离流体混合物的一种方法，也能够用于从流体中分离诸如微塑料之类的胶体污染物。最后，它可以解释从斑马到热带鱼等动物皮肤上彩色图案和条纹的形成。

阿莱西奥·扎科内于 2010 年在苏黎世联邦理工学院化学系获得博士学位。2010 年至 2014 年，他是剑桥大学卡文迪什实验室的奥本海默研究学者。在慕尼黑工业大学（2014 - 2015 年）和剑桥大学（2015 - 2018 年）任教后，自 2022 年起，他在米兰大学物理系担任理论物理学全职教授和系主任。所获奖项包括苏黎世联邦理工学院银牌、哥廷根科学院 2020 年高斯教授职位、剑桥皇后学院的研究员以及欧洲研究理事会整合者资助（“Multimech”）。

研究贡献包括堵塞转变问题的解析解（扎科内和斯科萨 - 罗马诺，发表于《物理评论 B》2011 年）、二维和三维随机密堆问题的解析解（扎科内，发表于《物理评论快报》2022 年）、剪切流中热激活反应速率过程的理论（扎科内等人，发表于《物理评论 E》2009 年）、剪切流下晶体成核的理论（穆拉和扎科内，发表于《物理评论 E》2016 年）、晶体振动光谱中类玻色峰的理论预测（米卢斯和扎科内，发表于《物理评论 B》2016 年；巴焦利和扎科内，发表于《物理评论快报》2019 年）、聚合物中玻璃化转变的理论（扎科内和特伦捷夫，发表于《物理评论快报》2013 年）以及由于声子阻尼导致的超导增强效应的理论预测（塞蒂、巴焦利、扎科内，发表于《物理评论 B》2020 年）。研究兴趣从无序系统的统计物理学（随机堆积、堵塞、玻璃和玻璃化转变、胶体、非平衡热力学）到固态物理学和超导性。