清華新聞網(wǎng)9月6日電 液滴與固體表面的撞擊在自然界和生產(chǎn)生活中廣泛存在。例如，液滴撞擊到荷葉后會(huì)快速滾落，荷葉的這種特殊潤(rùn)濕性被稱(chēng)為超疏水。超疏水表面具有自清潔、防霧防霜、抗結(jié)冰、高效冷凝等優(yōu)異特性，在環(huán)境、能源、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在一些情況下，液滴撞擊不僅可能導(dǎo)致超疏水功能的失效，甚至導(dǎo)致材料本身的破壞。人們對(duì)液滴撞擊超疏水表面的動(dòng)態(tài)作用力及其機(jī)制這一基本的科學(xué)問(wèn)題至今仍然不清楚，從而制約著超疏水材料的應(yīng)用。
8月29日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院呂存景副教授、馮西橋教授課題組在期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線(xiàn)發(fā)表了題為“水滴撞擊超疏水表面的力”（Impact forces of water drops falling on superhydrophobic surfaces）的研究論文，并被選為“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）。該文首次報(bào)道了水滴撞擊超疏水表面過(guò)程中的動(dòng)態(tài)作用力峰值隨韋伯?dāng)?shù)（Webernumber，We）的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在低速撞擊情況下（We=9附近）在水滴回彈階段出現(xiàn)的第二個(gè)峰值力居然可以遠(yuǎn)大于初始撞擊階段的峰值力，這為理解水滴與超疏水表面的動(dòng)態(tài)相互作用以及設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性疏水功能的材料提供了新的視角。同時(shí)，《自然》（Nature）期刊將該成果作為研究亮點(diǎn)（Research Highlights）進(jìn)行了報(bào)道，標(biāo)題為“彈跳液滴撞擊的物理原理”（The physics of a bouncing droplet’s impact）。
圖1.水滴撞擊超疏水表面的液滴形態(tài)和作用力：（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，（b）水滴形態(tài)演化的數(shù)值模擬，（c）水滴形態(tài)和作用力隨時(shí)間的演化
該研究通過(guò)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析發(fā)現(xiàn)，在撞擊過(guò)程中水滴與超疏水表面的作用力主要存在兩個(gè)峰值（圖1）。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在初始撞擊階段，源于撞擊過(guò)程中水滴動(dòng)量的快速變化，在大韋伯?dāng)?shù)下（We> 30）由慣性力主導(dǎo)，而在小韋伯?dāng)?shù)下（We<30）同時(shí)受到慣性力和表面張力的影響（圖2a）。第二個(gè)峰值源于水滴回縮過(guò)程形成的Worthington射流，具有四個(gè)特征區(qū)間（圖2b）：（I）We< 5.3為毛細(xì)區(qū)，水滴內(nèi)部震蕩行為顯著，多峰值出現(xiàn)；（II）5.3< We < 12.6為射流區(qū)，撞擊過(guò)程中液滴內(nèi)部產(chǎn)生氣穴并潰滅，引發(fā)高速Worthington射流，導(dǎo)致作用力的第二個(gè)峰值遠(yuǎn)大于第一個(gè)峰值（圖2c）；（III）30< We <100為慣性區(qū)，論文揭示了作用力的第二個(gè)峰值與水滴在該峰值出現(xiàn)時(shí)刻的回縮速度、射流速度以及幾何尺寸的定量關(guān)系，其中12.6 < We < 30為射流區(qū)與慣性區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)；（IV）We > 100為飛濺區(qū)，撞擊過(guò)程中水滴破碎導(dǎo)致第二個(gè)峰值急劇下降。
圖2.水滴撞擊力峰值隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律；（a）第一個(gè)峰值力隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律；（b）第二個(gè)峰值力隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律；（c）氣穴潰滅引起的高速射流及作用力；（d）不同韋伯?dāng)?shù)下撞擊力達(dá)到第二個(gè)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的水滴形態(tài)；（e）參數(shù)定義；（f）第二個(gè)峰值力的理論預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
清華大學(xué)航院張彬博士后與呂存景副教授分別為論文的第一作者與通訊作者。清華大學(xué)航院馮西橋教授和荷蘭特溫特大學(xué)迪特里夫·羅斯（Detlef Lohse）教授為本工作的合作者。其他作者包括荷蘭特溫特大學(xué)博士生瓦特賽爾·桑杰（Vatsal Sanjay）、清華大學(xué)航院史松林博士、2018級(jí)博士生趙迎港。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目和國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.104501
《自然》期刊研究亮點(diǎn)報(bào)道鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-02302-w
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：呂婷
