CRPS：哈工大郝崇磊/李兵团队发现液滴定向饼状弹跳现象

物质科学

Physical science

近日，哈尔滨工业大学（深圳）机电学院郝崇磊助理教授与李兵教授团队合作，报道了基于有序微结构上的液滴定向饼状弹跳现象。该工作为液滴的快速脱离提供了新的思路，2022年1月10日，该研究成果以“Oblique pancake bouncing"为题发表在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

哈工大（深圳）机电学院陶然博士和2018级本科生梁国强为该论文共同第一作者。

固/液接触时间是衡量界面动态润湿性的重要参数，也是决定固液之间质量、动量和能量传递效率的关键因素之一。在流体与热能传输、能源收集、防污减阻和防覆冰等涉及多物理场耦合的机械工程应用场景下，如何减少固/液作用时间并促进复杂表面液滴高效流动与传输是一个共性难题。尽管研究者们已经提出过一些减少固液接触时间的方法，然而液滴在撞击反弹后会再次降落在撞击点附近，造成固液二次接触从而不利于流体从工况表面的快速脱离。

针对上述问题，近日，哈尔滨工业大学（深圳）机电学院郝崇磊助理教授与李兵教授团队合作，报道了基于有序微结构上的液滴定向饼状弹跳现象。研究者设计了一种倾斜的Janus微结构，利用该结构，可同时实现固液接触时间减少（液滴呈饼状反弹）和液滴的定向输运。液滴定向输运的距离可通过对固体表面的结构参数和液滴自身的物理参数进行调控。该工作为液滴的快速脱离提供了新的思路。

通过3D打印加工制造的倾斜Janus结构，同时结合了结构单元自身非对称（一面为平面，一面为曲面）效应和结构阵列倾斜效应，由此可提高液滴定向运动的能力。同时，研究者也设计了倾斜圆锥结构作为对照实验对象。

图1 仿生倾斜Janus和倾斜圆锥结构的形貌特征

由于倾斜Janus单元的二级不对称性，毛细力在其平面侧和曲面侧的水平分量不能相互抵消，因此在液体碰撞过程中，受到一个水平力，使得液滴产生水平方向运动。与此同时，微结构尺寸的参数优化设计，使得液滴受到一个向上的毛细排空力，引发液滴在回缩之前呈饼状反弹。两种效应的作用在时间尺度与空间尺度相互耦合，促成液滴定向饼状弹跳。在倾斜Janus和倾斜圆锥结构上，液滴均呈现出定向饼状弹跳状态，但液滴在倾斜Janus结构上的定向输运位移距离更长。

图2 液滴定向饼状反弹动态和机理

液滴定向饼状反弹在高韦伯数下也能实现。同时，液滴定向运动能力受韦伯数调控，韦伯数越高，定向移动距离越大。

图3 高韦伯数下的定向饼状弹跳

进一步，研究者们阐明了液滴定向饼状弹跳在不同温度下的普适性。液滴定向运行位移、固液接触时间、以及接触线的时间演变趋势均与基底温度无关。这是因为碰撞过程中固液接触时间极短，由此限制了从固体到液体的传热。

图4 不同温度下的定向饼状弹跳动态表征

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100721

CellPress细胞出版社