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(gè)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(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(yīng)用場景下一直是個(gè)難題,。研究者們通過設(shè)計(jì)各種梯度表面來進(jìn)一步減少接觸時(shí)間,，這些策略往往需要精確調(diào)控液滴的碰撞點(diǎn)，或是受限于較窄的液滴碰撞速度區(qū)間,。

針對(duì)以上問題,，近期香港理工大學(xué)王鉆開教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(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(duì)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(nèi)實(shí)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(jì)（a）雙梯度表面上的液滴彈跳模式切換機(jī)制和固液接觸時(shí)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(duì)應(yīng)的靜態(tài)接觸角圖。

該研究設(shè)計(jì)了一種具有雙梯度結(jié)構(gòu)的表面,，如圖1所示,。團(tuán)隊(duì)成員使用摩方精密公司的nanoArch® S140 微納3D打印機(jī)制造微米級(jí)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(gè)梯度結(jié)構(gòu)由連續(xù)的凸起島嶼組成,，具有側(cè)向不對(duì)稱的彎曲，可以促進(jìn)不對(duì)稱的液滴鋪展并加速液滴回彈,。第二個(gè)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(chǔ)存足夠的毛細(xì)能量并完成快速的動(dòng)能-毛細(xì)能量轉(zhuǎn)換,。

通過實(shí)驗(yàn)表明,，碰撞該表面的液滴在較低的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)小于9.7）呈現(xiàn)出不對(duì)稱彈跳模式,，固液接觸時(shí)間減少至13.2 ms；在較高的碰撞速度下（韋伯?dāng)?shù)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(yàn)和理論分析表明，這種彈跳模式的自適應(yīng)性是由毛細(xì)壓力和動(dòng)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(bào)道的其他策略相比,，該工作設(shè)計(jì)的雙梯度表面結(jié)合了不對(duì)稱彈跳和餅狀彈跳的優(yōu)勢,，不需要對(duì)液滴碰撞點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，就可以在較大的韋伯?dāng)?shù)區(qū)間內(nèi)實(shí)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?dāng)?shù)下的液滴碰撞高速攝像圖。（b）高韋伯?dāng)?shù)下的液滴碰撞高速攝像圖,。（c）不同韋伯?dāng)?shù)下液滴接觸時(shí)間,。（d）不同韋伯?dāng)?shù)下液滴的鋪展時(shí)間和收縮時(shí)間。

圖3. （a）不同錐間距的雙梯度表面上的液滴接觸時(shí)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?dāng)?shù)下液滴的動(dòng)態(tài)水壓力與毛細(xì)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(diǎn)下的液滴碰撞行為,。（d）不同撞擊點(diǎn)、不同韋伯?dāng)?shù)下的液滴接觸時(shí)間,。（e）不同撞擊點(diǎn),、不同韋伯?dāng)?shù)下的液滴回彈系數(shù)。


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