王鉆開課(ke)題(ti)組(zu)《Small》：雙(shuang)梯(ti)度(du)表面(mian)上的自(zi)適應液滴彈(dan)跳

液滴撞擊固體(ti)表面(mian)是(shi)壹個(ge)普(pu)遍存(cun)在(zai)於(yu)自(zi)然(ran)與(yu)工(gong)業場景(jing)中的現象。而(er)其中碰撞(zhuang)過(guo)程中的固/液(ye)接(jie)觸(chu)時間(jian)，是(shi)決定(ding)固液(ye)兩(liang)相(xiang)之(zhi)間(jian)質量、動(dong)量和能(neng)量傳(chuan)遞效(xiao)率的關鍵因(yin)素之(zhi)壹。減少(shao)固/液(ye)接(jie)觸(chu)時間(jian)，並(bing)促使(shi)液滴快速(su)脫離固體(ti)表面(mian)，在(zai)能(neng)源收集、熱管(guan)理(li)、防(fang)覆冰等應用場景(jing)下(xia)壹(yi)直是(shi)個(ge)難題(ti)。研(yan)究(jiu)者們(men)通(tong)過(guo)設計(ji)各(ge)種(zhong)梯(ti)度(du)表面(mian)來進壹步減少接(jie)觸(chu)時間(jian)，這(zhe)些策略往往(wang)需要精(jing)確(que)調控液滴的碰撞(zhuang)點(dian)，或是(shi)受限於較(jiao)窄的液滴碰撞(zhuang)速(su)度(du)區間(jian)。

針(zhen)對以上問(wen)題(ti)，近(jin)期(qi)香(xiang)港理工大(da)學(xue)王鉆開教授團(tuan)隊設計(ji)了壹(yi)種(zhong)雙(shuang)梯(ti)度(du)表面(mian)，使(shi)得碰撞(zhuang)該(gai)表面(mian)的液滴在(zai)不(bu)同的碰撞(zhuang)速(su)度(du)下自(zi)動(dong)切換至(zhi)相(xiang)應的液滴彈(dan)跳模(mo)式。這(zhe)種(zhong)自(zi)適應切換的液滴彈(dan)跳避(bi)免(mian)了對液滴碰撞(zhuang)點(dian)的操控需求(qiu)，且(qie)在(zai)更(geng)大(da)的液滴碰撞(zhuang)速(su)度(du)範(fan)圍(wei)內實現了液(ye)滴的快速(su)脫離。相(xiang)關研(yan)究(jiu)內容以“Self-Adaptive Droplet Bouncing on a Dual Gradient Surface”為題(ti)發(fa)表在(zai)《Small》期(qi)刊上，香港城(cheng)市大(da)學(xue)在(zai)讀(du)博(bo)士(shi)生吳辰(chen)陽為第(di)壹(yi)作者。

該(gai)研(yan)究(jiu)設計(ji)了壹(yi)種(zhong)具有(you)雙(shuang)梯(ti)度(du)結(jie)構的表面(mian)，如圖(tu)1所示。團(tuan)隊(dui)成員使(shi)用摩(mo)方(fang)精(jing)密公司(si)的nanoArch® S140 微(wei)納(na)3D打(da)印(yin)機(ji)制(zhi)造微(wei)米(mi)級別(bie)的微(wei)針(zhen)陣列，微(wei)針(zhen)底座(zuo)300 μm，長800 μm，微(wei)針(zhen)間(jian)距(ju)300 μm，在(zai)SEM圖(tu)像(xiang)中展(zhan)示出(chu)良(liang)好的形貌和(he)陣列分布。

該(gai)雙(shuang)梯(ti)度(du)表面(mian)的第(di)壹(yi)個(ge)梯(ti)度(du)結(jie)構由連(lian)續的凸(tu)起(qi)島(dao)嶼組成，具有(you)側(ce)向不(bu)對稱的彎曲(qu)，可(ke)以促進(jin)不(bu)對稱的液滴鋪(pu)展(zhan)並(bing)加(jia)速(su)液(ye)滴回彈(dan)。第(di)二個(ge)梯(ti)度(du)由微(wei)觀錐形微(wei)針(zhen)陣列組成(cheng)，錐間(jian)距(ju)在(zai)垂(chui)直方向(xiang)上逐漸(jian)變(bian)窄，使(shi)得液(ye)滴能在(zai)下(xia)落過(guo)程中儲存(cun)足夠(gou)的毛細能(neng)量並(bing)完(wan)成快(kuai)速(su)的動(dong)能(neng)-毛細能(neng)量轉(zhuan)換。

通(tong)過(guo)實驗表明(ming)，碰撞(zhuang)該(gai)表面(mian)的液滴在(zai)較(jiao)低(di)的碰撞(zhuang)速(su)度(du)下（韋伯數(shu)小於9.7）呈(cheng)現出(chu)不(bu)對稱彈(dan)跳模(mo)式，固液(ye)接(jie)觸(chu)時間(jian)減少(shao)至(zhi)13.2 ms；在(zai)較(jiao)高(gao)的碰撞(zhuang)速(su)度(du)下（韋伯數(shu)大(da)於(yu)9.7）切換至(zhi)餅(bing)狀彈(dan)跳模(mo)式，固液(ye)接(jie)觸(chu)時間(jian)進壹(yi)步減少至(zhi)4.5 ms。實(shi)驗和理論分析表明(ming)，這(zhe)種(zhong)彈(dan)跳模(mo)式的自(zi)適應性是(shi)由毛細壓(ya)力和(he)動(dong)態(tai)水壓(ya)力的競爭(zheng)，以及水(shui)平(ping)面上(shang)液(ye)滴鋪(pu)展(zhan)過(guo)程中的能量重新(xin)分布所共(gong)同(tong)導(dao)致(zhi)。

與(yu)先(xian)前(qian)報(bao)道的其他策略相(xiang)比，該(gai)工作(zuo)設計(ji)的雙(shuang)梯(ti)度(du)表面(mian)結(jie)合(he)了不(bu)對稱彈(dan)跳和(he)餅(bing)狀彈(dan)跳的優勢，不(bu)需要對液滴碰撞(zhuang)點(dian)進(jin)行精(jing)準控制(zhi)，就(jiu)可以在(zai)較(jiao)大(da)的韋伯數(shu)區間(jian)內實現有(you)效(xiao)的液滴快速(su)脫離，為液滴的快速(su)脫離提(ti)供(gong)了新(xin)的思路(lu)。

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

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