王鉆開課題組《Small》：雙梯度表面上的自適應(yīng)液滴彈跳

液滴撞擊固體表面是一個(gè)普遍存在于自然與工業(yè)場(chǎng)景中的現(xiàn)象。而其中碰撞過(guò)程中的固/液接觸時(shí)間，是決定固液兩相之間質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞效率的關(guān)鍵因素之一。減少固/液接觸時(shí)間，并促使液滴快速脫離固體表面，在能源收集、熱管理、防覆冰等應(yīng)用場(chǎng)景下一直是個(gè)難題。研究者們通過(guò)設(shè)計(jì)各種梯度表面來(lái)進(jìn)一步減少接觸時(shí)間，這些策略往往需要精確調(diào)控液滴的碰撞點(diǎn)，或是受限于較窄的液滴碰撞速度區(qū)間。

針對(duì)以上問題，近期香港理工大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雙梯度表面，使得碰撞該表面的液滴在不同的碰撞速度下自動(dòng)切換至相應(yīng)的液滴彈跳模式。這種自適應(yīng)切換的液滴彈跳避免了對(duì)液滴碰撞點(diǎn)的操控需求，且在更大的液滴碰撞速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了液滴的快速脫離。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Self-Adaptive Droplet Bouncing on a Dual Gradient Surface”為題發(fā)表在《Small》期刊上，香港城市大學(xué)在讀博士生吳辰陽(yáng)為第一作者。

該研究設(shè)計(jì)了一種具有雙梯度結(jié)構(gòu)的表面，如圖1所示。團(tuán)隊(duì)成員使用摩方精密公司的nanoArch® S140 微納3D打印機(jī)制造微米級(jí)別的微針陣列，微針底座300 μm，長(zhǎng)800 μm，微針間距300 μm，在SEM圖像中展示出良好的形貌和陣列分布。

該雙梯度表面的第一個(gè)梯度結(jié)構(gòu)由連續(xù)的凸起島嶼組成，具有側(cè)向不對(duì)稱的彎曲，可以促進(jìn)不對(duì)稱的液滴鋪展并加速液滴回彈。第二個(gè)梯度由微觀錐形微針陣列組成，錐間距在垂直方向上逐漸變窄，使得液滴能在下落過(guò)程中儲(chǔ)存足夠的毛細(xì)能量并完成快速的動(dòng)能-毛細(xì)能量轉(zhuǎn)換。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，碰撞該表面的液滴在較低的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)小于9.7）呈現(xiàn)出不對(duì)稱彈跳模式，固液接觸時(shí)間減少至13.2 ms；在較高的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)大于9.7）切換至餅狀彈跳模式，固液接觸時(shí)間進(jìn)一步減少至4.5 ms。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，這種彈跳模式的自適應(yīng)性是由毛細(xì)壓力和動(dòng)態(tài)水壓力的競(jìng)爭(zhēng)，以及水平面上液滴鋪展過(guò)程中的能量重新分布所共同導(dǎo)致。

與先前報(bào)道的其他策略相比，該工作設(shè)計(jì)的雙梯度表面結(jié)合了不對(duì)稱彈跳和餅狀彈跳的優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)液滴碰撞點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，就可以在較大的韋伯?dāng)?shù)區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的液滴快速脫離，為液滴的快速脫離提供了新的思路。

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https://doi.org/10.1002/smll.202304635

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