超疏水表面上空心液滴回弹的抑制研究

该研究“Suppression of hollow droplet rebound on super-repellent surfaces”于2023年9月发表在Nature 子刊Nature Communications上。

液滴撞击在超疏表面上时会展现出灵活的弹跳行为，这是由于超疏表面所具有的低黏附性使得撞击过程中的粘性耗散几乎忽略不计，促进了液滴撞击过程中动能和表面能之间的高效转化。以往防止液滴在超疏表面反弹的尝试依赖于改变表面结构或液体性质来增加能量耗散。然而，这些方法往往会导致液体润湿转变，从而不可避免地削弱系统的疏液能力。

图1. 单相液滴与空心液滴在超疏水表面上的弹跳行为对比

该篇文章报道了一种有趣的液滴弹跳现象，通过在液滴中加入气泡来抑制液滴撞击表面后的反弹，即使在超疏液表面也能实现明显的弹跳抑制。文章通过深入的实验探究，数学建模及数值模拟，从能量、流场、力学三个角度揭示了空心液滴的弹跳抑制原理与传统的能量耗散有着本质的不同：气的存在使得能量在空心液滴的内外表面之间流动，阻止了液滴回弹过程中表面能向动能的转化，从而在不增加能量耗散的情况下实现了弹跳的抑制。

图2. 数值模拟液滴撞击过程中的能量变化

超疏液表面的液体沉积问题涉及工农业及生物医疗等多种场景，一直以来是研究人员不断探索的领域。文章中所报道的空心液滴在超疏表面的弹跳抑制现象，证明在不改变固液性质的情况下，仅仅改变撞击液滴的结构便可以有效抑制回弹。这一发现为许多相关领域的液滴应用提供新思路。例如，当使用液滴除尘时，空心液滴的引入会增大液滴与表面的接触面积，可进一步提高表面自清洁效率；当喷雾冷却时，空心液滴撞击后停留在表面增加了固液接触时间，可以增大液体冷却效率。空心液滴的回弹抑制原理也可以应用到减震系统，为定点抛投灭火装置提供新思路。

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