从大自然中神奇景观钟乳石的形成到生活中常见的现象咖啡渍图案，都离不开蒸发诱导自组装的作用。随着表面结构制备的要求越来越高，受限液体蒸发诱导自组装显示出了重要的学术研究意义和广阔的实际应用前景。特别是在喷墨打印、生物医药、材料科学、纳/微电子机械系统等具有外部环境限制下的实际制造领域中，受限液体蒸发诱导自组装更是体现出了巨大的应用价值。针对受限液体蒸发诱导自组装中的三个关键科学问题：液体蒸发和固体自组装之间的耦合、三相接触线移动和颗粒沉积之间的耦合、受限液体蒸发诱导自组装的尺寸效应，本文采用以实验和理论为主，模拟为辅的方法开展研究，主要内容如下：

疏水固体表面上球冠状液滴蒸发诱导离子结晶自组装。针对盐结晶在微观尺度上各向异性生长和不同的界面性质导致在宏观尺度上很难获得完美晶体结构的难题，开展了氯化钠溶液液滴在疏水基底上的蒸发诱导结晶自组装实验，探索了使用微量水溶性聚合物对结晶行为的调控作用，提出了“蒸发诱导结晶自组装”的概念，通过液-气界面的受限作用成功诱导氯化钠有序结晶、生长，最终自组装形成壳体和空心管状的三维结构。建立了自组装晶体结构分区相图，分析壳体外/内表面和空心管状结构对组分浓度的依赖性，从实验上直接观察到了多孔受限结构对结晶物自发抬升的作用。理论上，发展了多元组分溶液的三维格点模型，得到了初始状态下溶液混合自由能，初始能量越低，蒸发诱导结晶自组装过程越稳定，揭示了自组装晶体结构的形成和演化机理。通过拟合溶液初始混合自由能和蒸发速率的关系，反演了自组装结构的形成对液体蒸发过程施加的受限作用。希望可以为矿物结垢处理和单晶纤维材料制备等应用提供设计参考和理论指导。

圆柱管中受限液体蒸发诱导纳米颗粒沉积自组装。开展了受限在圆柱管中纳米颗粒水悬浮液的蒸发诱导沉积自组装实验，探索了受限空间的几何效应和基底的温度效应对沉积图案形成，发现了蜂窝状、多环、岛状和两种过渡态沉积图案。通过建立沉积图案分区相图，厘清了几何效应和温度效应对沉积图案形成和演化的影响，找到了规则、有序的多环图案形成的最优实验条件。针对多环沉积图案，实验上直接观察到了三相接触线钉扎/去钉扎的周期性运动；理论上，基于 Onsager 变分原理，推导了在蒸发过程中受限液体的几何形状随时间的演化方程，厘清了接触线半径和接触角随时间的演化规律，接触线半径呈阶梯状上升演化，对应的接触角呈锯齿状振荡演化；定量化地阐明了接触线移动能力、蒸发效应和界面张力在颗粒沉积过程中的作用，揭示了多环沉积图案的形成机理。通过对成环位置和环间距变化的定量分析，理论预测很好地再现了实验结果。

固体表面受限薄膜蒸发去润湿诱导分形沉积自组装。开展了溶解有布洛芬小分子的乙醇液滴在硅片上的蒸发诱导沉积自组装实验，提出了“蒸发诱导分形图案”的概念，在同一实验模型下实现了三种沉积图案的构建，并通过跨尺度理论模型进行了验证。在蒸发效应的作用下，混合液滴首先在硅片上铺展，达到最大铺展半径后去润湿，在基底上留下一层均匀的薄膜，最后薄膜去润湿，布洛芬小分子团聚形成颗粒进行沉积。定量化地分析了混合液滴在硅片表面上丰富的流体动力学行为；通过调整初始布洛芬浓度，制备了从微观到宏观尺度一系列厚度的薄膜；基于薄膜去润湿构造了均匀、多边形和咖啡环沉积图案，并通过分形维数将这一系列沉积图案之间建立了几何上的联系。理论上，发展了膜厚演化动力学方程，并考虑了 van der Waals 力、表面张力和重力在薄膜中的作用，揭示了沉积图案的形成机理和演化规律。

本文以实验为基础，可视化、定量化地开展了三个典型受限液体（疏水固体表面球冠状液滴、圆柱管中受限液体和固体表面受限薄膜）的蒸发诱导自组装研究，通过探索受限液体蒸发过程和自组装结构对浓度、温度、几何等因素的依赖性，发现了结晶物可以自发抬升基底表面等新现象，并解释了其成因和规律；利用跨尺度数值模拟，补充实验手段中难以测试到的数据，进一步支撑了实验现象；在实验和模拟的基础上，建立理论模型，重现实验现象，阐明了自组装结构的形成过程，并揭示了其中的能量和力学调控机理。希望可以帮助对于受限液体蒸发诱导自组装背后深刻物理内涵的认识，以及对于矿物结垢污染处理和单晶纤维材料制备等应用提供理论指导。