物質(zhì)科學(xué)

Physical science

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機電學(xué)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(fā)表在Cell Press細胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

哈工大（深圳）機電學(xué)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(shí)間是衡量界面動(dòng)態(tài)潤濕性的重要參數，也是決定固液之間質(zhì)量、動(dòng)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(chǎng)耦合的機械工程應用場(chǎng)景下，如何減少固/液作用時(shí)間并促進(jìn)復雜表面液滴高效流動(dòng)與傳輸是一個(gè)共性難題。盡管研究者們已經(jīng)提出過(guò)一些減少固液接觸時(shí)間的方法，然而液滴在撞擊反彈后會(huì )再次降落在撞擊點(diǎn)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(wèn)題，近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機電學(xué)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(shí)實(shí)現固液接觸時(shí)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(guò)對固體表面的結構參數和液滴自身的物理參數進(jìn)行調控。該工作為液滴的快速脫離提供了新的思路。

通過(guò)3D打印加工制造的傾斜Janus結構，同時(shí)結合了結構單元自身非對稱(chēng)（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(dòng)的能力。同時(shí)，研究者也設計了傾斜圓錐結構作為對照實(shí)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(chēng)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(guò)程中，受到一個(gè)水平力，使得液滴產(chǎn)生水平方向運動(dòng)。與此同時(shí)，微結構尺寸的參數優(yōu)化設計，使得液滴受到一個(gè)向上的毛細排空力，引發(fā)液滴在回縮之前呈餅狀反彈。兩種效應的作用在時(shí)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(tài)，但液滴在傾斜Janus結構上的定向輸運位移距離更長(cháng)。

圖2 液滴定向餅狀反彈動(dòng)態(tài)和機理

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

圖3 高韋伯數下的定向餅狀彈跳

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(shí)間、以及接觸線(xiàn)的時(shí)間演變趨勢均與基底溫度無(wú)關(guān)。這是因為碰撞過(guò)程中固液接觸時(shí)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(dòng)態(tài)表征

▌DOI：

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

CellPress細胞出版社