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  本文報(bào)道了一個(gè)有趣的液滴彈跳現(xiàn)象，通過在液滴中加入氣泡來抑制液滴撞擊表面后的反彈，即使在超疏液表面也能實(shí)現(xiàn)明顯的彈跳抑制，而不改變表面的超疏液特性。文中通過實(shí)驗(yàn)探究、理論建模及數(shù)值模擬研究，從能量、流場(chǎng)、力學(xué)三個(gè)角度揭示了這種新型回彈抑制的機(jī)理。

  自然界中存在許多超疏表面，例如荷葉表面、蝴蝶翅膀表面、水稻葉子等等。當(dāng)液體撞擊到上面時(shí)，由于其表面的特殊結(jié)構(gòu)使得液滴能夠快速彈開。液滴的彈跳使得液體在超疏液表面的沉積成為一個(gè)較為有挑戰(zhàn)的問題。先前的研究主要采用改變表面結(jié)構(gòu)或液體物性等方法增加固液表面的能量耗散，使得液滴能夠停留在表面。這些方法或破壞了表面的結(jié)構(gòu)或限定了液體的性質(zhì)，一定程度上改變了表面固有的疏液性質(zhì)。近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系朱平安課題組報(bào)道了一種新型的抑制液滴在超疏液表面回彈的方法，通過在液滴內(nèi)封裝一個(gè)氣泡，使得液滴的彈跳性能大大降低。這種空心液滴在超疏液表面的回彈抑制行為在噴霧冷卻、自清潔、農(nóng)藥噴灑及液體操控等方面具有特殊意義，首次在不改變表面結(jié)構(gòu)或液體物性的情況下實(shí)現(xiàn)了液滴在超疏表面的回彈抑制。

普遍存在的回彈抑制

  當(dāng)液滴內(nèi)部含有氣泡時(shí)，稱之為空心液滴（Hollow Droplet, HD）。與單相液滴（Single-phase Droplet，SD）相比，空心液滴具有十分特別的核殼結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的形態(tài)在各種實(shí)際過程中都很普遍，包括雨滴下落到地球表面時(shí)包裹的空氣，熱噴涂涂層過程中空心球形顆粒的沉積，納米乳液制備過程中的氣泡破裂，以及海洋中的氣溶膠轉(zhuǎn)移等等。展示了空心液滴撞擊在超疏表面上后其彈跳受到抑制，僅以極低的高度回彈甚至不回彈。這一現(xiàn)象與普通液滴撞擊該表面后的反復(fù)彈跳形成鮮明對(duì)比。有趣的是，空心液滴所表現(xiàn)出的回彈抑制現(xiàn)象是普遍存在的，可以發(fā)生在不同的超疏表面及液體中。

液滴行為的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)

圖.1 液滴彈跳機(jī)理的數(shù)學(xué)模型

回彈抑制背后的真正原因

能量“內(nèi)卷”

圖2.數(shù)值模擬液滴撞擊過程中的能量變化

流場(chǎng)震蕩

  從流場(chǎng)的角度看，氣泡的存在擾亂了液滴內(nèi)部的流場(chǎng)，使得液滴回縮過程中流場(chǎng)分布不均勻，無法形成向上的合動(dòng)量。對(duì)于SD, 內(nèi)部的流場(chǎng)呈現(xiàn)出均一向上的趨勢(shì)，助力了液滴彈起。而對(duì)于HD而言，由于浮力作用，內(nèi)部的氣泡一直位于液滴的頂部，阻擋（分流）了回縮過程中向上流動(dòng)的液體，使得流場(chǎng)的方向不斷上下交替震蕩，導(dǎo)致了其總動(dòng)量始終處于較低（甚至為負(fù)）的水平，因而無彈起或者彈跳高度被抑制。

力量“內(nèi)斗”

圖3. 反毛細(xì)效應(yīng)所引起的回彈抑制

身邊中的回彈抑制

  相似的現(xiàn)象還可以在更大的長(zhǎng)度尺度上觀察到。文章最后設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的小實(shí)驗(yàn)，用裝滿水的氣球模擬純液滴，用內(nèi)部包含水和一個(gè)充滿空氣的復(fù)合氣球模擬空心液滴；將兩個(gè)氣球從同一高度釋放，可以看到裝滿水的氣球在撞擊鋪展后迅速回彈，而復(fù)合氣球在撞擊后僅收縮但沒有回彈。

結(jié)語

  超疏液表面的液體沉積問題涉及工農(nóng)業(yè)及生物醫(yī)療等多種場(chǎng)景，一直以來是研究人員不斷探索的領(lǐng)域。文章中所報(bào)道的空心液滴在超疏表面的彈跳抑制現(xiàn)象表面，表明在不改變固液性質(zhì)的情況下，僅僅改變撞擊液滴的結(jié)構(gòu)便可以有效抑制回彈，從而保證了固體表面的疏液性不被破壞。這一發(fā)現(xiàn)為許多相關(guān)領(lǐng)域的液滴應(yīng)用提供新思路。例如，當(dāng)使用液滴除塵時(shí)，空心液滴的引入會(huì)增大液滴與表面的接觸面積，可進(jìn)一步提高表面自清潔效率；當(dāng)噴霧冷卻時(shí)，空心液滴撞擊后停留在表面增加了固液接觸時(shí)間，可以增大液體冷卻效率�？招囊旱蔚幕貜椧种圃硪部梢詰�(yīng)用到減震系統(tǒng)，為定點(diǎn)拋投滅火裝置提供新思路。

  空心液滴內(nèi)外表面之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)抗，導(dǎo)致了液滴的“內(nèi)卷”，使其在撞擊超疏表面后整體呈現(xiàn)出一種近乎“停滯”的麻木狀態(tài)�？招囊旱蝺�(nèi)外表面能之間的流動(dòng)循環(huán)使得表面能向難以向動(dòng)能有效轉(zhuǎn)化，盡管系統(tǒng)總能量并未有太多耗散，但是急劇降低的平動(dòng)動(dòng)能導(dǎo)致空心液滴的回彈受到抑制，只能停留在表面不斷震蕩。當(dāng)小小的液滴陷入“內(nèi)卷”困境時(shí)也難以避免地失去了活力。

  論文信息：    

  Zhou, Y., Zhang, C., Zhao, W., Wang, S. & Zhu, P. Suppression of hollow droplet rebound on super-repellent surfaces. Nature Communications 14, 5386 (2023).

  https://www.nature.com/articles/s41467-023-40941-3

  作者簡(jiǎn)介

  朱平安博士是香港城市大學(xué)機(jī)械工程系助理教授，主要研究方向是微納尺度流動(dòng)基礎(chǔ)及應(yīng)用，近年來以第一或通訊作者身份在Science, Nature Communications, Advanced Materials, The Innovation, Chemical Reviews等期刊發(fā)表論文40余篇，出版英文學(xué)術(shù)專著1部。研究成果獲得眾多媒體和雜志的重點(diǎn)報(bào)道，包括Science News、The Times、News Scientist、Phys.org、法國(guó)駐香港大使館、新華社、香港TVB等。曾獲得多項(xiàng)榮譽(yù)和獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2022 Micromachnies 杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)、2022 Lab on a Chip杰出審稿人、2021中國(guó)新銳科技人物突出成就獎(jiǎng)、2018 TechConnect全球創(chuàng)新獎(jiǎng)、2017香港青年科學(xué)家獎(jiǎng)提名等。