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  本文報道了一個有趣的液滴彈跳現(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。文中通過實驗探究、理論建模及數(shù)值模擬研究，從能量、流場、力學(xué)三個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，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，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)，這種獨特的形態(tài)在各種實際過程中都很普遍，包括雨滴下落到地球表面時包裹的空氣，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

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

流場震蕩

  從流場的角度看，氣泡的存在擾亂了液滴內(nèi)部的流場，使得液滴回縮過程中流場分布不均勻，無法形成向上的合動量。對于SD, 內(nèi)部的流場呈現(xiàn)出均一向上的趨勢，助力了液滴彈起。而對于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的液體，使得流場的方向不斷上下交替震蕩，導(dǎo)致了其總動量始終處于較低（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度尺度上觀察到。文章最后設(shè)計了一個簡易的小實驗，用裝滿水的氣球模擬純液滴，用內(nèi)部包含水和一個充滿空氣的復(fù)合氣球模擬空心液滴；將兩個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)療等多種場景，一直以來是研究人員不斷探索的領(lǐng)域。文章中所報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，空心液滴的引入會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，空心液滴撞擊后停留在表面增加了固液接觸時間，可以增大液體冷卻效率。空心液滴的回彈抑制原理也可以應(yīng)用到減震系統(tǒng)，為定點拋投滅火裝置提供新思路。

  空心液滴內(nèi)外表面之間的競爭對抗，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)。空心液滴內(nèi)外表面能之間的流動循環(huán)使得表面能向難以向動能有效轉(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動能導(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報道，包括Science News、The Times、News Scientist、Phys.org、法國駐香港大使館、新華社、香港TVB等。曾獲得多項榮譽和獎項，包括2022 Micromachnies 杰出青年學(xué)者獎、2022 Lab on a Chip杰出審稿人、2021中國新銳科技人物突出成就獎、2018 TechConnect全球創(chuàng)新獎、2017香港青年科學(xué)家獎提名等。