论文标题：Equivalent potential: the nexus of microwave and interface for modeling and regulating fluid structures

期刊：ENGINEERING Chemical Engineering

作者：Wenkai Ye, Tuo Ji, Jiahua Zhu

发表时间：14 Jan 2026

DOI：10.1007/s11705-026-2648-4

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文章信息

文章题目

Equivalent potential: the nexus of microwave and interface for modeling and regulating fluid structures

文章来源

Wenkai Ye, Tuo Ji, Jiahua Zhu. Equivalent potential: the nexus of microwave and interface for modeling and regulating fluid structures. ENG. Chem. Eng., 2026, 20(4): 24

DOI:10.1007/s11705-026-2648-4

研究背景

化学工程领域对电气化的推动正在加速高效外场强化技术的发展，例如微波技术，但微纳尺度流体结构的出现，以及界面效应与微波之间复杂的相互作用，给现有的理论框架带来了重大挑战。传统热力学模型依赖于唯象学方法与宏观实验数据，难以精准描-述微波场中界面附近流体结构的微观变化。针对这一局限，南京工业大学朱家华团队在ENG. Chem. Eng.期刊发表观点文章，从量子力学出发，提出等效势（equivalent potential）概念，为统一界面与微波的作用提供了新的思路。

核心观点

宏观热力学模型难以穿透微纳界面黑箱

传统热力学模型依赖宏观实验数据的经验性拟合，缺乏微纳尺度的流体“结构-物性”关系的物理根基。当微波介入后，界面极化显著改变分子间相互作用并诱导团簇结构形成，此时基于牛顿力学的经典相互作用描述已显不足，亟需引入量子力学视角重构理论框架。

等效势统一界面-微波双重效应

从多体薛定谔方程出发，将包围分子团簇的微环境作用，包括外场效应、界面几何约束与电子效应，整体封装为等效势项。借助势能可加性，将界面相互作用与外场效应两类不同的调控变量纳入同一理论框架，为外场-界面协同作用提供了可计算化的实现路径。

多尺度验证揭示流体结构转变规律

密度泛函计算表明，较高的等效势环境显著约束分子运动，使分子的微观状态分布趋于集中。分子动力学模拟进一步显示，在2 eV•Å^–1势能梯度下，界面水分子从四配位网络结构转变为孤立有序结构，不同团簇结构的配分函数差异与界面水转动弛豫时间的显著变化，直接证明了等效势对团簇结构的定向调控能力以及带来的流体物性改变。

结论与展望

本文提出了以等效势为核心的外场耦合理论框架，建立了流体结构调控的基本原理，为理性设计流体结构、强化微波化工过程提供了可行路径；同时，该等效势还具有普适拓展能力，可推广至电场、磁场、光场等外场作用体系，进而发展为统一描述界面与各类外场相互作用的通用工具。未来需要（1）发展高时空分辨原位表征技术，建立真实体系中的流体结构与等效势之间的映射关系；（2）结合人工智能，发展可解耦界面与外场的等效场理论，实现材料高通量筛选与外场条件优化；（3）建立“数据–机制”融合方法，推动外场耦合化工体系的理论发展。

重要图表解读

图1 系统阐释了等效势V_eq的物理构成与数学来源，将其分解为界面相互作用（润湿性σ、粗糙度R）与外场效应（场强I、频率t、分布ρ）两大来源。

图2 展示了隐式溶剂模型下水分子的计算拉曼光谱结果与真实界面非对称作用。图(a)对比了不同介电环境下水分子的拉曼峰，高Veq显著压缩峰宽，证明其对分子运动状态的约束效应；图(b–d)揭示了真实界面的非对称多向相互作用无法被单一均匀模型描述，需通过多重局部溶剂化环境叠加逼近，为理解实际微波反应器中复杂的界面微环境提供了方法论启示。

图4 呈现了不同V_eq强度梯度下界面水分子的密度分布、配分函数与转动时间关联函数。随着势能梯度增大以及氢氧原子的密度分布峰位分离，水分子从四配位团簇转变为孤立有序结构；团簇结构的振动、平动与转动配分函数因微观构型而异，这种统计力学层面的差异性可直接映射为流体表观物性的分化；转动弛豫时间的延长从动力学角度进一步证实，等效势是控制流体表观运动状态的核心因素。

图5 展示了基于Born-Haber循环与Stark效应的最小V_eq设计方法。通过设定孤立水分子为终态、不同团簇结构为初态，建立热力学循环，将结构转变能量与等效势矢量变化定量关联。该方法为从“经验试错”到“理性设计”微波响应材料与工艺参数提供了可计算的热力学路径，是连接量子力学与工程应用的桥梁。

作者简介

通讯作者

朱家华，南京工业大学材料化学工程全国重点实验室教授、博士生导师，国家级青年人才，主要从事外场耦合界面化工过程研究。在AIChE J, Chem. Eng. Sci, Ind. Eng. Chem. Res., Adv. Mater.等国际期刊发表文章200余篇，编写英文专著章节4项。获中国化工学会基础研究成果奖一等奖，侯德榜化工科学技术奖“青年奖”，国际PPS学会“Early Career Award”和ECS “Early Career Investigator Award”等荣誉。

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