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香港城大朱平安、香港理工王鉆開《Nat. Commun.》：液滴彈跳時(shí)間最小極限？
2024-11-19  來(lái)源：高分子科技

  本文報(bào)道了一個(gè)超快液滴彈跳現(xiàn)象，通過(guò)在液滴中加入固體顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴撞擊表面時(shí)的極快反彈，接觸時(shí)間可低至0.05毫秒，創(chuàng)造新的最低紀(jì)錄。這種顯著的接觸時(shí)間減少現(xiàn)象普遍適用于各種系統(tǒng)，包括水滴和油滴、彈性和剛性顆粒、超疏液和超親液表面，并且在各種撞擊速度下都有效。


  液滴與固體表面的接觸時(shí)間對(duì)于自清潔、防結(jié)冰、防霧、傳熱、液滴操控和能量收集至關(guān)重要。對(duì)于以最小能量耗散撞擊超疏水表面的液滴，慣性和毛細(xì)作用之間的相互耦合決定了接觸時(shí)間，即慣性-毛細(xì)作用時(shí)間尺度。先前的各種研究主要依賴于固體表面設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)液滴彈跳動(dòng)力學(xué)來(lái)降低接觸時(shí)間。但這些方法仍受限于慣性-毛細(xì)作用框架，接觸時(shí)間仍然主要由毛細(xì)作用決定，因此限制在幾毫秒以上。打破這一理論限制以進(jìn)一步減少接觸時(shí)間是一個(gè)極有挑戰(zhàn)性的問題。近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系朱平安/香港理工大學(xué)機(jī)械工程系王鉆開教授合作報(bào)道了一種新型減小液滴與固體表面接觸時(shí)間的方法，通過(guò)在液滴內(nèi)封裝一個(gè)固體顆粒，使得液滴的接觸時(shí)間降低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種固-液復(fù)合液滴作為一種最小化接觸時(shí)間的普適而有效的策略，具有重要的前景。相關(guān)工作以 Ultrafast bounce of particle-laden droplets 為標(biāo)題發(fā)表在Nature Communications上。

普遍存在的超快彈跳現(xiàn)象


  當(dāng)液滴包裹顆粒時(shí)(Droplets encapsulating a particle, DEP)產(chǎn)生一種具有殼核結(jié)構(gòu)的復(fù)合液滴，這種體系在各種實(shí)際過(guò)程中都很普遍。圖1展示了DEP，液滴和固體顆粒的彈跳行為。和液滴的彈跳明顯不同(10.8毫秒)，DEP在0.3毫秒的短時(shí)間內(nèi)從表面迅速脫離，表現(xiàn)出類似于固體顆粒的超快彈跳行為，這實(shí)現(xiàn)了前所未有的97%的接觸時(shí)間減少。值得注意的是，DEP的超快彈跳行為在不同的系統(tǒng)中是普遍存在的，可以發(fā)生在不同液體、不同顆粒和各種表面上。


圖1. 不同系統(tǒng)的彈跳行為對(duì)比


  DEP的接觸時(shí)間隨撞擊速度(V)的增加而明顯變化，呈現(xiàn)出三種不同的變化區(qū)間(圖 1d)。DEP的接觸時(shí)間對(duì)撞擊速度的獨(dú)特依賴性與液滴形成了鮮明的對(duì)比，通常液滴的接觸時(shí)間與速度無(wú)關(guān)。此外，在所有三種狀態(tài)下，DEP的接觸時(shí)間均明顯短于液滴(約10毫秒)，這表明液滴中包含的顆粒會(huì)從根本上改變彈跳動(dòng)力學(xué)。


Hertz區(qū)間


  為了揭示DEP在區(qū)間I中表現(xiàn)出的超快彈跳的復(fù)雜性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究其在撞擊過(guò)程中的形態(tài)變化(圖 2a)。在鋪展階段，顆粒和液滴外殼經(jīng)歷連貫變形，DEP系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)的完整性。然而，在回縮階段，出現(xiàn)了不同步現(xiàn)象，其標(biāo)志是DEP底部的顆粒和液體外殼分離。由于顆粒的反彈速度比液滴外殼快得多，當(dāng)顆粒在回縮過(guò)程中開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，大部分液殼無(wú)法與底面接觸，繼續(xù)保持向下的速度，這種速度不匹配將顆粒推到液殼的上部。因此，DEP的整體彈跳行為受到顆粒局部動(dòng)力學(xué)的決定性影響。與液滴所表現(xiàn)出的振蕩形狀截然不同，DEP的最大變形顯著減小，這極大地減少了鋪展和回縮時(shí)間，最終導(dǎo)致接觸時(shí)間減少。


圖2. Hertz區(qū)域內(nèi)DEP的彈跳動(dòng)力學(xué)


  此外，各種參數(shù)對(duì)DEP的接觸時(shí)間的影響也進(jìn)行了系統(tǒng)的探究。有趣的是，一旦DEP采用類固體彈跳行為，接觸時(shí)間幾乎與粒子體積分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)，但會(huì)受到顆粒的楊氏模量和沖擊速度等因素的影響。在此區(qū)間，DEP的接觸時(shí)間受Hertz理論主導(dǎo)。


圖3. DEP在Hertz區(qū)域內(nèi)的接觸時(shí)間


部分回縮區(qū)間


  隨著撞擊速度增大并超過(guò)第一個(gè)臨界值時(shí)，液殼會(huì)接觸固體表面，經(jīng)歷鋪展和退縮的過(guò)程(圖4)，這導(dǎo)致了此區(qū)間內(nèi)DEP接觸時(shí)間的增加，但內(nèi)部的顆粒仍繼續(xù)影響整體彈跳動(dòng)力學(xué)。撞擊后顆粒的變形和反彈在液殼的鋪展階段內(nèi)迅速發(fā)生，顆粒起飛后恢復(fù)其球形形狀，迫使液殼停止鋪展并與顆粒一起向上運(yùn)動(dòng)。這種不同步運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致液殼形狀被拉長(zhǎng)，并在DEP內(nèi)形成空穴。DEP起飛時(shí)，平坦的底部表面標(biāo)志著非零接觸半徑，即回縮過(guò)程不完整。顆粒的快速?gòu)椞鴾p小了液殼的最大鋪展直徑，并導(dǎo)致液殼不完全回縮，從而減小DEP的接觸時(shí)間。


圖4. DEP的部分回縮


完全回縮區(qū)間


  當(dāng)撞擊速度增加到超過(guò)第二個(gè)臨界值時(shí)，DEP的接觸時(shí)間逐漸接近恒定值。此時(shí)，起飛之時(shí)接觸半徑降低至零，液殼的回縮不再受顆粒的影響，DEP的彈跳動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變成完全回縮。相比于顆粒動(dòng)力學(xué)，液殼的流體動(dòng)力效應(yīng)占主導(dǎo)地位。在完全回縮區(qū)間中，DEP的接觸時(shí)間僅由液殼的質(zhì)量確定，因此歸一化的接觸時(shí)間是體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)(圖5)。


圖5. DEP的完全回縮


冰-水系統(tǒng)


  調(diào)控DEP的接觸時(shí)間對(duì)于涉及各種情況下的固-液復(fù)合體系都是有益的，一個(gè)常見的體系是由冰芯和水殼組成的結(jié)冰水滴。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，水冰混合物(如雨夾雪)會(huì)附著在飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和電力線等表面，對(duì)安全性和性能構(gòu)成挑戰(zhàn)。作為概念驗(yàn)證演示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了結(jié)冰水滴在撞擊疏水表面后會(huì)迅速脫離，具有固體主導(dǎo)的彈跳行為(圖6)。隨著體積分?jǐn)?shù)的變化，在結(jié)冰水滴彈跳過(guò)程中先后觀察到液體回縮和Hertz兩種狀態(tài)，接觸時(shí)間隨著冰核體積分?jǐn)?shù)的增加而減少。這對(duì)在緩解與結(jié)冰相關(guān)的情況中具有重要意義。


圖6. 結(jié)冰水滴的接觸時(shí)間


  這項(xiàng)工作以設(shè)計(jì)DEP為例，證明了通過(guò)對(duì)液滴非均質(zhì)性的操縱策略可以顯著減少接觸時(shí)間；诮佑|時(shí)間的變化趨勢(shì)描述了三種不同的彈跳區(qū)域：Hertz區(qū)域、部分回縮區(qū)域和完全回縮區(qū)域。通過(guò)調(diào)節(jié)顆粒體積分?jǐn)?shù)和碰撞韋伯?dāng)?shù)，可以有效地轉(zhuǎn)換和控制不同的彈跳狀態(tài)和接觸時(shí)間。值得注意的是，在三種區(qū)間中的任何一種中，DEP都顯示出相當(dāng)短的接觸時(shí)間。從他們的理論分析可知，通過(guò)提高沖擊速度和顆粒的楊氏模量或通過(guò)減小DEP的半徑和有效密度，可以進(jìn)一步減小接觸時(shí)間。這一發(fā)現(xiàn)作為一種強(qiáng)大而有效的策略，可以在各種應(yīng)用中最大限度地減小液滴和表面的接觸。鑒于固-液復(fù)合系統(tǒng)在自然和工業(yè)過(guò)程中的普遍性，如流化床、結(jié)冰液滴、熔融顆粒、未凝固的混凝土、3D打印和藥物輸送等，這項(xiàng)研究將會(huì)有重要的作用和深遠(yuǎn)的意義。


  論文第一作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系博士生李言紅，通訊作者為香港城市大學(xué)機(jī)械工程系助理教授朱平安和香港理工大學(xué)機(jī)械工程系講座教授王鉆開。


  朱平安課題組常年招收全獎(jiǎng)博士研究生，研究方向包括但不限于微流控、表面浸潤(rùn)性、微納制造、軟體機(jī)器人、流體傳熱等，歡迎有興趣的同學(xué)致郵 (pingazhu@cityu.edu.hk)。詳情參見課題組主頁(yè)：https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu/opportunities；或https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/pingan-zhu(feb16646-787c-4c97-aa58-71f46cc3aaaa)/opportunities.html


  論文信息

  Li, Y., Zhao, W., Zhou, Y., Tang, S., Wang, S., Zheng, Y., Wang, Z & Zhu, P. Ultrafast bounce of particle-laden droplets. Nature Communications 15, 9943 (2024).

  https://doi.org/10.1038/s41467-024-54288-w

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