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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間越長越好。

液滴在超疏水表面上的撞擊接觸時間只有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水滴撞擊接觸時間減少到50%左右的報道(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間，但是如果撞擊中心遠(yuǎn)離條紋或圖案中心，則其接觸時間會和在超疏水表面上的接觸時間相同, 這就是所謂的“off-center impact”問題。對于那些需要降低接觸時間的應(yīng)用來說，制備一個水滴無論撞擊到任何地方，都可以減少接觸時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€撞擊都至少撞擊到一條條紋，或者更多的條紋上。與此同時，大尺度溝槽可能會引導(dǎo)液滴在鋪展過程中加速向兩個相反方向運(yùn)動，產(chǎn)生新的動力學(xué)行為。

文章作者在觀察到液滴在水稻上的接觸時間大幅度降低后，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）的接觸時間差別不大，在條紋間距大于1000 μm時，液滴的撞擊時間能降低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，由于動量集中在平行于溝槽的兩個方向上，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，而這種動力學(xué)行為屬于首次發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)研究成果將會給自清潔、防凍防冰領(lǐng)域帶來啟示，也會給農(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 液滴的不同撞擊動力學(xué)以及條紋間距對撞擊接觸時間的影響

圖3雄鷹展翅式撞擊動力學(xué)

雄鷹展翅式撞擊動力學(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。