物質(zhì)科學(xué)

Physical science

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電學(xué)院郝崇磊助理教授與李兵教授團(tuán)隊合作，報道了基于有序微結(jié)構(gòu)上的液滴定向餅狀彈跳現(xiàn)象。該工作為液滴的快速脫離提供了新的思路，2022年1月10日，該研究成果以“Oblique pancake bouncing"為題發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

哈工大（深圳）機(jī)電學(xué)院陶然博士和2018級本科生梁國強(qiáng)為該論文共同第一作者。

固/液接觸時間是衡量界面動態(tài)潤濕性的重要參數(shù)，也是決定固液之間質(zhì)量、動量和能量傳遞效率的關(guān)鍵因素之一。在流體與熱能傳輸、能源收集、防污減阻和防覆冰等涉及多物理場耦合的機(jī)械工程應(yīng)用場景下，如何減少固/液作用時間并促進(jìn)復(fù)雜表面液滴高效流動與傳輸是一個共性難題。盡管研究者們已經(jīng)提出過一些減少固液接觸時間的方法，然而液滴在撞擊反彈后會再次降落在撞擊點附近，造成固液二次接觸從而不利于流體從工況表面的快速脫離。

針對上述問題，近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電學(xué)院郝崇磊助理教授與李兵教授團(tuán)隊合作，報道了基于有序微結(jié)構(gòu)上的液滴定向餅狀彈跳現(xiàn)象。研究者設(shè)計了一種傾斜的Janus微結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)，可同時實現(xiàn)固液接觸時間減少（液滴呈餅狀反彈）和液滴的定向輸運。液滴定向輸運的距離可通過對固體表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液滴自身的物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。該工作為液滴的快速脫離提供了新的思路。

通過3D打印加工制造的傾斜Janus結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合了結(jié)構(gòu)單元自身非對稱（一面為平面，一面為曲面）效應(yīng)和結(jié)構(gòu)陣列傾斜效應(yīng)，由此可提高液滴定向運動的能力。同時，研究者也設(shè)計了傾斜圓錐結(jié)構(gòu)作為對照實驗對象。

圖1 仿生傾斜Janus和傾斜圓錐結(jié)構(gòu)的形貌特征

由于傾斜Janus單元的二級不對稱性，毛細(xì)力在其平面?zhèn)群颓鎮(zhèn)鹊乃椒至坎荒芟嗷サ窒?，因此在液體碰撞過程中，受到一個水平力，使得液滴產(chǎn)生水平方向運動。與此同時，微結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使得液滴受到一個向上的毛細(xì)排空力，引發(fā)液滴在回縮之前呈餅狀反彈。兩種效應(yīng)的作用在時間尺度與空間尺度相互耦合，促成液滴定向餅狀彈跳。在傾斜Janus和傾斜圓錐結(jié)構(gòu)上，液滴均呈現(xiàn)出定向餅狀彈跳狀態(tài)，但液滴在傾斜Janus結(jié)構(gòu)上的定向輸運位移距離更長。

圖2 液滴定向餅狀反彈動態(tài)和機(jī)理

液滴定向餅狀反彈在高韋伯?dāng)?shù)下也能實現(xiàn)。同時，液滴定向運動能力受韋伯?dāng)?shù)調(diào)控，韋伯?dāng)?shù)越高，定向移動距離越大。

圖3 高韋伯?dāng)?shù)下的定向餅狀彈跳

進(jìn)一步，研究者們闡明了液滴定向餅狀彈跳在不同溫度下的普適性。液滴定向運行位移、固液接觸時間、以及接觸線的時間演變趨勢均與基底溫度無關(guān)。這是因為碰撞過程中固液接觸時間極短，由此限制了從固體到液體的傳熱。

圖4 不同溫度下的定向餅狀彈跳動態(tài)表征

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100721

CellPress細(xì)胞出版社