王鉆(zuan)開(kai)課(ke)題組(zu)《Small》：雙梯度(du)表面(mian)上(shang)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)液滴彈(dan)跳

液滴撞(zhuang)擊(ji)固體表面(mian)是壹個(ge)普遍存在於自(zi)然(ran)與(yu)工業場(chang)景(jing)中(zhong)的現象(xiang)。而(er)其(qi)中碰撞過程中(zhong)的(de)固/液接觸(chu)時間，是決(jue)定固液兩相(xiang)之間質(zhi)量(liang)、動(dong)量(liang)和(he)能量(liang)傳(chuan)遞效(xiao)率的關鍵(jian)因素之(zhi)壹。減(jian)少(shao)固/液接觸(chu)時間，並促(cu)使(shi)液滴快(kuai)速(su)脫離固體表面(mian)，在(zai)能源收(shou)集(ji)、熱管理、防(fang)覆冰(bing)等應(ying)用場(chang)景(jing)下(xia)壹直是個(ge)難題。研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)通(tong)過設(she)計各種梯度(du)表面(mian)來進(jin)壹步減(jian)少(shao)接(jie)觸(chu)時間，這些(xie)策(ce)略往(wang)往(wang)需要精確(que)調(tiao)控(kong)液滴的(de)碰撞點，或(huo)是受限(xian)於(yu)較窄的液滴碰撞速度(du)區(qu)間。

針(zhen)對(dui)以(yi)上問題，近(jin)期香港(gang)理工(gong)大(da)學王鉆(zuan)開(kai)教授(shou)團(tuan)隊(dui)設(she)計了(le)壹種(zhong)雙梯度(du)表面(mian)，使(shi)得碰撞該(gai)表面(mian)的(de)液滴在(zai)不(bu)同的碰撞速度(du)下(xia)自(zi)動(dong)切換至相應(ying)的(de)液滴彈(dan)跳模(mo)式(shi)。這種自(zi)適(shi)應(ying)切(qie)換的(de)液滴彈(dan)跳避免了(le)對(dui)液滴碰撞點的(de)操控(kong)需(xu)求(qiu)，且(qie)在更(geng)大(da)的(de)液滴碰撞速度(du)範圍(wei)內實現了(le)液滴的(de)快(kuai)速脫離。相關研(yan)究(jiu)內容以(yi)“Self-Adaptive Droplet Bouncing on a Dual Gradient Surface”為(wei)題發(fa)表在(zai)《Small》期刊(kan)上，香(xiang)港(gang)城(cheng)市大(da)學在讀(du)博士(shi)生吳(wu)辰(chen)陽為(wei)第壹作(zuo)者(zhe)。

該(gai)研究(jiu)設(she)計了(le)壹種(zhong)具有(you)雙(shuang)梯度(du)結構的表面(mian)，如(ru)圖(tu)1所(suo)示。團(tuan)隊(dui)成員使(shi)用摩方(fang)精密公司的nanoArch® S140 微納3D打印機(ji)制(zhi)造微米(mi)級別的微(wei)針(zhen)陣(zhen)列，微(wei)針(zhen)底座300 μm，長(chang)800 μm，微針(zhen)間距300 μm，在SEM圖像中(zhong)展(zhan)示出良好(hao)的(de)形(xing)貌(mao)和陣列分(fen)布。

該(gai)雙梯度(du)表面(mian)的(de)第(di)壹個(ge)梯度(du)結構由(you)連(lian)續的凸起島(dao)嶼組(zu)成，具(ju)有側(ce)向(xiang)不對(dui)稱的(de)彎(wan)曲，可以促(cu)進不(bu)對(dui)稱的(de)液滴鋪(pu)展(zhan)並加速液滴回彈(dan)。第二(er)個(ge)梯度(du)由(you)微觀(guan)錐(zhui)形(xing)微針(zhen)陣(zhen)列組(zu)成，錐(zhui)間距在垂直方(fang)向上(shang)逐(zhu)漸(jian)變(bian)窄，使(shi)得液滴能在下(xia)落過程中(zhong)儲(chu)存(cun)足夠的毛(mao)細(xi)能量(liang)並完成(cheng)快(kuai)速的動(dong)能-毛(mao)細(xi)能量(liang)轉(zhuan)換。

通(tong)過實驗(yan)表明(ming)，碰撞該(gai)表面(mian)的(de)液滴在(zai)較(jiao)低的碰撞速度(du)下(xia)（韋(wei)伯(bo)數小於9.7）呈(cheng)現出不對(dui)稱彈(dan)跳模(mo)式(shi)，固液接觸(chu)時間減(jian)少(shao)至13.2 ms；在較高(gao)的(de)碰撞速度(du)下(xia)（韋(wei)伯(bo)數大(da)於(yu)9.7）切換至餅狀(zhuang)彈(dan)跳模(mo)式(shi)，固液接觸(chu)時間進壹步減(jian)少(shao)至4.5 ms。實驗(yan)和理(li)論(lun)分(fen)析(xi)表明(ming)，這種彈(dan)跳模(mo)式(shi)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)性(xing)是由(you)毛(mao)細(xi)壓(ya)力和動(dong)態(tai)水(shui)壓力的競爭，以及(ji)水(shui)平面(mian)上(shang)液滴鋪(pu)展(zhan)過程中(zhong)的(de)能量(liang)重(zhong)新(xin)分(fen)布所(suo)共(gong)同(tong)導致。

與先(xian)前(qian)報(bao)道(dao)的其(qi)他(ta)策(ce)略相(xiang)比(bi)，該(gai)工作(zuo)設(she)計的雙(shuang)梯度(du)表面(mian)結合了(le)不對(dui)稱彈(dan)跳和餅狀(zhuang)彈(dan)跳的優勢(shi)，不需(xu)要對(dui)液滴碰撞點進(jin)行精準控(kong)制(zhi)，就(jiu)可以在較大(da)的(de)韋伯(bo)數區(qu)間內實現有效的液滴快(kuai)速(su)脫離，為(wei)液滴的(de)快(kuai)速脫離提供了(le)新(xin)的(de)思路。

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

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