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、防覆冰等應用場(chǎng)景下一直是個(gè)難題。研究者們通過(guò)設計各種梯度表面來(lái)進(jìn)一步減少接觸時(shí)間，這些策略往往需要精確調控液滴的碰撞點(diǎn)，或是受限于較窄的液滴碰撞速度區間。

針對以上問(wèn)題，近期香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授團隊設計了一種雙梯度表面，使得碰撞該表面的液滴在不同的碰撞速度下自動(dòng)切換至相應的液滴彈跳模式。這種自適應切換的液滴彈跳避免了對液滴碰撞點(diǎn)的操控需求，且在更大的液滴碰撞速度范圍內實(shí)現了液滴的快速脫離。相關(guān)研究?jì)热菀浴?span style="font-synthesis: style; font-weight: 600;">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。

該研究設計了一種具有雙梯度結構的表面，如圖1所示。團隊成員使用摩方精密公司的nanoArch® S140 微納3D打印機制造微米級別的微針陣列，微針底座300 μm，長(cháng)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)梯度結構由連續的凸起島嶼組成，具有側向不對稱(chēng)的彎曲，可以促進(jìn)不對稱(chēng)的液滴鋪展并加速液滴回彈。第二個(gè)梯度由微觀(guān)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)程中儲存足夠的毛細能量并完成快速的動(dòng)能-毛細能量轉換。

通過(guò)實(shí)驗表明，碰撞該表面的液滴在較低的碰撞速度下（韋伯數小于9.7）呈現出不對稱(chēng)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（韋伯數大于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)驗和理論分析表明，這種彈跳模式的自適應性是由毛細壓力和動(dòng)態(tài)水壓力的競爭，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致。

與先前報道的其他策略相比，該工作設計的雙梯度表面結合了不對稱(chēng)彈跳和餅狀彈跳的優(yōu)勢，不需要對液滴碰撞點(diǎn)進(jìn)行精準控制，就可以在較大的韋伯數區間內實(shí)現有效的液滴快速脫離，為液滴的快速脫離提供了新的思路。

原文鏈接：

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

備注：已獲得轉載版權