物質科學

Physical science

近日，哈爾濱工業大學（深圳）機電學院郝崇磊助理教授與李兵教授團隊合作，報道了基于有序微結構上的液滴定向餅狀彈跳現象。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"為題發表在Cell Press細胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

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

固/液接觸時間是衡量界面動態潤濕性的重要參數，也是決定固液之間質量、動量和能量傳遞效率的關鍵因素之一。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械工程應用場景下，如何減少固/液作用時間并促進復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，哈爾濱工業大學（深圳）機電學院郝崇磊助理教授與李兵教授團隊合作，報道了基于有序微結構上的液滴定向餅狀彈跳現象。研究者設計了一種傾斜的Janus微結構，利用該結構，可同時實現固液接觸時間減少（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構參數和液滴自身的物理參數進行調控。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結構，同時結合了結構單元自身非對稱（一面為平面，一面為曲面）效應和結構陣列傾斜效應，由此可提高液滴定向運動的能力。同時，研究者也設計了傾斜圓錐結構作為對照實驗對象。

圖1 仿生傾斜Janus和傾斜圓錐結構的形貌特征

由于傾斜Janus單元的二級不對稱性，毛細力在其平面側和曲面側的水平分量不能相互抵消，因此在液體碰撞過程中，受到一個水平力，使得液滴產生水平方向運動。與此同時，微結構尺寸的參數優化設計，使得液滴受到一個向上的毛細排空力，引發液滴在回縮之前呈餅狀反彈。兩種效應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和傾斜圓錐結構上，液滴均呈現出定向餅狀彈跳狀態，但液滴在傾斜Janus結構上的定向輸運位移距離更長。

圖2 液滴定向餅狀反彈動態和機理

液滴定向餅狀反彈在高韋伯數下也能實現。同時，液滴定向運動能力受韋伯數調控，韋伯數越高，定向移動距離越大。

圖3 高韋伯數下的定向餅狀彈跳

進一步，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。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表征

▌DOI：

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

CellPress細胞出版社