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Nature Communications:金属表面“液滴蹦床”的黄金分割调控准则
发布时间:2023-10-20        作者:马志超        编辑:马研       浏览:

固液接触行为与结冰、冷凝等现象息息相关,并且液滴回弹行为的调控在航空航天、农业生产、热管理等领域具有广泛的应用。例如,在高温表面上希望抑制液滴的回弹(抑制莱登弗罗斯特效应)以增强冷却效率,在农药喷洒过程中不希望液滴在植物表面反弹导致农药利用率降低。相反,为了实现表面自清洁和防冰,需要增强液滴的多次回弹以去除更多的污染物或促进液滴脱离表面以延迟结冰。通常,表面结构和韦伯数直接影响着液滴的动态行为,并且液滴连续回弹次数是表征动态润湿性的重要参数。因此,液滴连续回弹行为与表面结构之间的相关性对于基于结构设计的表面动态润湿性调控至关重要,有必要揭示在宽韦伯数范围内表面结构参数对液滴连续回弹次数的影响规律。并且厘清液滴连续回弹次数的影响因素和影响机制,能够为表面动态润湿性调控和新型仿生表面开发提供科学基础和理论依据。

研究团队利用激光烧蚀和表面改性技术,通过调整激光扫描间距,在铝基板上制备了一系列不同结构间距的超疏水表面,采用高速成像技术在宽韦伯数范围内拍摄液滴在不同结构间距的超疏水铝表面上的连续回弹过程。根据液滴在不同结构间距铝表面的回弹行为特征,特别是根据液滴在回弹离开表面的过程中是否产生残留,将结构间距由小到大连续划分为钉扎区、黄金区和粘附区,发现了液滴连续回弹次数的黄金分割现象。

图1 黄金区中等结构间距表面的液滴连续回弹次数更多,并且没有液滴残留现象

对于钉扎区小间距微结构表面,小的固液接触面积加剧了液滴与表面接触的动压力,致密的凸起和沟槽结构增大了液滴铺展和收缩的横向阻力,进而增强了液滴在表面上的钉扎效应并可导致液滴的不完全回弹。对于黄金区的中等间距微结构表面,降低的结构密度削弱了液滴在表面上的钉扎效应,减少了液滴在连续回弹过程中的能量耗散,大大提高了液滴的连续回弹次数。随着结构间距继续增加,对于粘附区的大间距微结构表面,由于激光烧蚀线过于稀疏,在未被激光烧蚀的区域产生了更大的亲水平坦区块,增强了表面对液滴的亲和力,导致了液滴在表面上的粘附效应,抑制了液滴的连续回弹。

图2 黄金区中等结构间距同时避免了小结构间距的钉扎效应和大结构间距的粘附效应

基于液滴连续回弹过程中的能量损耗,分析了液滴的钉扎耗散、粘性耗散和粘附耗散,并通过液滴的能量恢复系数推导出液滴连续回弹次数的表达公式,建立了理论模型。对于超疏水表面,通常期望制备更精细致密的微结构以降低固液接触面积,从而增强表面的拒液性,促进液滴的脱附,而液滴连续回弹的黄金分割调控准则颠覆了这一认知。通过结构参数优化设计,平衡液滴在超疏水表面的钉扎效应和粘附效应,降低液滴的能量耗散,有利于促进液滴的连续回弹和快速脱附。建立的液滴连续回弹次数与韦伯数和结构间距的关联映射可为超疏水结构设计提供依据,有望为在航空航天、交通运输、能源装备、流体控制等领域实现表面防冰、自清洁、高效热管理、液滴控制启发新型策略。

图3 黄金区中等结构间距的液滴能量耗散相对最小,有利于液滴的连续回弹;中等结构间距和低韦伯数有利于实现“液滴蹦床”特性

研究工作受国家自然科学基金原创探索计划项目、重大研究计划重点项目、杰出青年科学基金项目的资助。相关论文“Golden section criterion to achieve droplet trampoline effect on metal-based superhydrophobic surface”在线发表在Nature Communications上。澳门永利6774.co m博士生赵晟腾为论文的第一作者,马志超教授为论文的通讯作者,任露泉院士和赵宏伟教授给予了理论指导和技术支持。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-42375-3

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