香港理工大學(xué)王鉆開課題組《Small》：雙梯度表面上的自適應(yīng)液滴彈跳

來源：摩方高精密

液滴撞擊固體表面是一個普遍存在于自然與工業(yè)場景中的現(xiàn)象。而其中碰撞過程中的固/液接觸時間，是決定固液兩相之間質(zhì)量、動量和能量傳遞效率的關(guān)鍵因素之一。減少固/液接觸時間，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(yīng)用場景下一直是個難題。研究者們通過設(shè)計各種梯度表面來進一步減少接觸時間，這些策略往往需要精確調(diào)控液滴的碰撞點，或是受限于較窄的液滴碰撞速度區(qū)間。

針對以上問題，近期香港理工大學(xué)王鉆開教授團隊設(shè)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切換至相應(yīng)的液滴彈跳模式。這種自適應(yīng)切換的液滴彈跳避免了對液滴碰撞點的操控需求，且在更大的液滴碰撞速度范圍內(nèi)實現(xiàn)了液滴的快速脫離。相關(guān)研究內(nèi)容以“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)在讀博士生吳辰陽為第一作者。

圖1. 基于3D打印的雙梯度表面的設(shè)計（a）雙梯度表面上的液滴彈跳模式切換機制和固液接觸時間比較。（b）3D打印雙梯度表面的照片。（c）雙梯度表面的掃描電鏡圖像。（d）所用涂層的掃描電鏡圖像和對應(yīng)的靜態(tài)接觸角圖。

該研究設(shè)計了一種具有雙梯度結(jié)構(gòu)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梯度結(jié)構(gòu)由連續(xù)的凸起島嶼組成，具有側(cè)向不對稱的彎曲，可以促進不對稱的液滴鋪展并加速液滴回彈。第二個梯度由微觀錐形微針陣列組成，錐間距在垂直方向上逐漸變窄，使得液滴能在下落過程中儲存足夠的毛細能量并完成快速的動能-毛細能量轉(zhuǎn)換。

通過實驗表明，碰撞該表面的液滴在較低的碰撞速度下（韋伯數(shù)小于9.7）呈現(xiàn)出不對稱彈跳模式，固液接觸時間減少至13.2 ms；在較高的碰撞速度下（韋伯數(shù)大于9.7）切換至餅狀彈跳模式，固液接觸時間進一步減少至4.5 ms。實驗和理論分析表明，這種彈跳模式的自適應(yīng)性是由毛細壓力和動態(tài)水壓力的競爭，以及水平面上液滴鋪展過程中的能量重新分布所共同導(dǎo)致。

與先前報道的其他策略相比，該工作設(shè)計的雙梯度表面結(jié)合了不對稱彈跳和餅狀彈跳的優(yōu)勢，不需要對液滴碰撞點進行精準控制，就可以在較大的韋伯數(shù)區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)有效的液滴快速脫離，為液滴的快速脫離提供了新的思路。

圖2. （a）低韋伯數(shù)下的液滴碰撞高速攝像圖。（b）高韋伯數(shù)下的液滴碰撞高速攝像圖。（c）不同韋伯數(shù)下液滴接觸時間。（d）不同韋伯數(shù)下液滴的鋪展時間和收縮時間。

圖3. （a）不同錐間距的雙梯度表面上的液滴接觸時間。（b）液滴碰撞過程中的受力分析。（c）液滴碰撞過程中的液滴行為分析。（d）不同錐間距的雙梯度表面上的液滴行為分析。（e）不同韋伯數(shù)下液滴的動態(tài)水壓力與毛細壓力的比值。

圖4. （a）大面積的柔性雙梯度表面。（b，c）不同撞擊點下的液滴碰撞行為。（d）不同撞擊點、不同韋伯數(shù)下的液滴接觸時間。（e）不同撞擊點、不同韋伯數(shù)下的液滴回彈系數(shù)。


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