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  在防結(jié)冰、液滴冷凝、表面自清潔等領(lǐng)域，如何使液滴快速從表面脫離具有重要的科學(xué)意義。液滴從表面脫離分為撞擊液滴從表面反彈與靜止液滴從表面脫離。一方面，已有研究表明，當(dāng)液滴撞擊超疏水微結(jié)構(gòu)表面后，液滴呈餅狀反彈(液滴接觸時間僅為3.4 ms)。但是這種液滴餅狀反彈行為需要嚴(yán)格調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)尺度以及液滴撞擊速度。另一方面，使靜止液滴從表面快速脫離仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。近年來，發(fā)展動態(tài)響應(yīng)結(jié)構(gòu)調(diào)控液滴的定向運動成為研究熱點。在溫度場、電場、磁場、壓力場等外場刺激下，通過構(gòu)建能量梯度，動態(tài)響應(yīng)結(jié)構(gòu)表面可驅(qū)動靜止液滴發(fā)生定向輸運。然而，目前已有的研究工作僅能使靜止液滴發(fā)生水平移動。

  基于此，近日，南京理工大學(xué)李強教授/陳雪梅教授課題組和香港城市大學(xué)王鉆開教授課題組合作，報道了基于超疏水磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)上的靜止液滴餅狀彈跳現(xiàn)象。作者設(shè)計了一種超疏水磁響應(yīng)微肋陣列，利用磁響應(yīng)微肋在磁場作用下的快速變形，實現(xiàn)了靜止液滴的餅狀彈跳。與其他液滴彈跳行為對比，本工作表現(xiàn)出更短的液滴與表面相互作用時間(~2.9 ms)和高能量轉(zhuǎn)換效率(~ 95%)。這項工作為調(diào)控液滴運動提供了新思路。

  結(jié)合激光燒蝕與軟光刻技術(shù)，作者設(shè)計并制備了一種超疏水磁響應(yīng)微肋，該微肋的高寬比β ~14。另外設(shè)計對照組磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)，其高寬比β ~5、8和11。磁場作用下(磁場強度~285mT)，磁響應(yīng)微肋的最大彎曲角為125°。模擬結(jié)果表明，微肋的彎曲與其受到的磁力和彈力有關(guān)。

 圖1 超疏水磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)的制備與表征。

  通過改變磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)表面底部磁鐵的位置及運動方式，可發(fā)生多種液滴彈跳行為。當(dāng)靜止液滴置于微肋最右端時，移動磁鐵，液滴發(fā)生餅狀彈跳；同時，液滴撞擊表面后，可發(fā)生傾斜反彈、垂直反彈、餅狀反彈。

圖2 超疏水磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)上液滴的動態(tài)行為。

  靜止液滴餅狀彈跳時，液滴與表面相互作用的時間與磁鐵移動速度成反比。當(dāng)磁鐵速度從10 mm/s增大至150 mm/s時，液滴與表面相互作用的時間從7.5 ms減小至2.9 ms。此外，靜止液滴餅狀彈跳的能量轉(zhuǎn)換效率為95%，遠大于液滴餅狀反彈、液滴傾斜反彈、冷凝液滴合并彈跳等的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖3 靜止液滴餅狀彈跳的特征。

  通過實驗研究與模擬驗證建立了靜止液滴餅狀彈跳的理論模型，基于表面結(jié)構(gòu)參數(shù)與磁場條件分析了靜止液滴出現(xiàn)餅狀彈跳現(xiàn)象的臨界條件。

 圖4 靜止液滴餅狀彈跳的設(shè)計相圖。

  最后，作者討論了冷液滴在超疏水磁響應(yīng)微肋上的快速脫離行為，為研究防結(jié)冰提供了新方法。

 圖5 冷液滴在超疏水磁響應(yīng)微肋結(jié)構(gòu)上的脫離行為。

  以上研究成果以“Pancake jumping of sessile droplets” 為題，發(fā)表在《Advanced Science》上 (DOI: 10.1002/advs.202103834)。文章第一作者是南京理工大學(xué)博士生錢晨露，通訊作者為南京理工大學(xué)李強教授、陳雪梅教授，以及香港城市大學(xué)王鉆開教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金 (51706100)、國家重點研發(fā)項目 (2018YFA0209500)、國家MCF能源研發(fā)計劃 (2018YFE0312300)、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助 (30918011205)、江蘇省自然科學(xué)基金 (BK20180477)的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103834