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 雄鷹展翅 — 液滴撞擊的超快速反彈

                          ——江雷院士、宋美榮/董智超博士、王毅琳研究員等最新研究成果

  日前，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院宋美榮博士、中科院理化所董智超博士、中科院化學(xué)所王毅琳研究員、江雷院士等，在Nature子刊（NPG Asia Materials）發(fā)表關(guān)于利用3D打印方法制備大尺度各向異性超疏水結(jié)構(gòu)降低液滴撞擊接觸時(shí)間的研究（Reducing the contact time using macro anisotropic superhydrophobic surfaces — effect of parallel wire spacing on the drop impact），并發(fā)現(xiàn)了一種新的撞擊動(dòng)力學(xué)模型——雄鷹展翅式，該雜志的影響因子為9.157，屬于工程材料類一區(qū)雜志，這是該團(tuán)隊(duì)在今年3月份在Science子刊（Science advances）發(fā)表利用囊泡性表面活性劑AOT解決在超疏水表面上的撞擊濺射問題（Controlling liquid splash on superhydrophobic surfaces by a vesicle surfactant）后的又一重要研究成果。

液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象普遍存在于生產(chǎn)生活和工程領(lǐng)域中, 在自清潔、防凍防冰領(lǐng)域，人們希望液滴能夠快速離開表面，其撞擊接觸時(shí)間越短越好，而在噴墨打印、農(nóng)藥噴灑、火災(zāi)撲救等領(lǐng)域，人們則希望液滴能夠滯留固體表面，液滴撞在固體上的接觸時(shí)間越長越好。

液滴在超疏水表面上的撞擊接觸時(shí)間只有10~12ms左右，Bird et al.2013年發(fā)表了關(guān)于水滴撞擊中心在一條超疏水大條紋上，由于回撤線的不均勻而導(dǎo)致接觸時(shí)間繼續(xù)減少至7.8 ms的工作(Nature, 2013,503:385 )。隨后，Gauthier et al., and Liu et al. and Shen et al., 2015年發(fā)表了Y型和彎曲表面和十字交叉型超疏水大條紋對(duì)水滴撞擊接觸時(shí)間減少到50%左右的報(bào)道(Nat. Commun.2015,6:8001；Nat..Commun. 2015,6:10034 )。

盡管大尺度的單條紋或交叉性條紋可以降低水滴撞擊的接觸時(shí)間，但是如果撞擊中心遠(yuǎn)離條紋或圖案中心，則其接觸時(shí)間會(huì)和在超疏水表面上的接觸時(shí)間相同, 這就是所謂的“off-center impact”問題。對(duì)于那些需要降低接觸時(shí)間的應(yīng)用來說，制備一個(gè)水滴無論撞擊到任何地方，都可以減少接觸時(shí)間的表面是非常必要的。而為了避免這種off-center impact，含有多條平行的超疏水大條紋的表面可能是有幫助的，因?yàn)榭梢允谷魏我粋€(gè)撞擊都至少撞擊到一條條紋，或者更多的條紋上。與此同時(shí)，大尺度溝槽可能會(huì)引導(dǎo)液滴在鋪展過程中加速向兩個(gè)相反方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生新的動(dòng)力學(xué)行為。

文章作者在觀察到液滴在水稻上的接觸時(shí)間大幅度降低后，受到啟發(fā)，利用3D打印方法制備了這種大尺度的具有平性條紋的各向異性超疏水結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)液滴撞擊到不同位置（溝槽里和條紋上）的接觸時(shí)間差別不大，在條紋間距大于1000 μm時(shí)，液滴的撞擊時(shí)間能降低50% 左右，解決了“off-center impact”問題，并發(fā)現(xiàn)液滴撞擊中心在溝槽時(shí)，由于動(dòng)量集中在平行于溝槽的兩個(gè)方向上，因此液滴向兩側(cè)鋪展的趨勢被加速，再加上液滴和基底表面受限空氣的作用，產(chǎn)生了這種雄鷹展翅飛翔式的撞擊動(dòng)力學(xué)行為，并在飛翔過程中發(fā)生液滴的分裂，猶如轟炸機(jī)發(fā)射炸彈一樣，而這種動(dòng)力學(xué)行為屬于首次發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)研究成果將會(huì)給自清潔、防凍防冰領(lǐng)域帶來啟示，也會(huì)給農(nóng)藥噴灑、油墨噴涂等領(lǐng)域帶來挑戰(zhàn)。

以下是該篇文章的主要數(shù)據(jù)和機(jī)理圖。

圖1 多級(jí)各向異性超疏水表面的掃描電鏡圖和接觸角照片。

圖2 液滴的不同撞擊動(dòng)力學(xué)以及條紋間距對(duì)撞擊接觸時(shí)間的影響

圖3雄鷹展翅式撞擊動(dòng)力學(xué)

雄鷹展翅式撞擊動(dòng)力學(xué)分析

該篇文章的鏈接為http://www.nature.com/doifinder/10.1038/am.2017.122，作者為宋美榮、劉朝暉、馬永健、董智超、王毅琳和江雷。