香港理工大学王钻开课题组《Small》：双梯度表面上的自适应液滴弹跳

液滴撞击固体表面是一个普遍存在于自然与工业场景中的现象。而其中碰撞过程中的固/液接触时间，是决定固液两相之间质量、动量和能量传递效率的关键因素之一。减少固/液接触时间，并促使液滴快速脱离固体表面，在能源收集、热管理、防覆冰等应用场景下一直是个难题。研究者们通过设计各种梯度表面来进一步减少接触时间，这些策略往往需要精确调控液滴的碰撞点，或是受限于较窄的液滴碰撞速度区间。

针对以上问题，近期香港理工大学王钻开教授团队设计了一种双梯度表面，使得碰撞该表面的液滴在不同的碰撞速度下自动切换至相应的液滴弹跳模式。这种自适应切换的液滴弹跳避免了对液滴碰撞点的操控需求，且在更大的液滴碰撞速度范围内实现了液滴的快速脱离。相关研究内容以“Self-Adaptive Droplet Bouncing on a Dual Gradient Surface”为题发表在《Small》期刊上，香港城市大学在读博士生吴辰阳为第一作者。

图1. 基于3D打印的双梯度表面的设计（a）双梯度表面上的液滴弹跳模式切换机制和固液接触时间比较。（b）3D打印双梯度表面的照片。（c）双梯度表面的扫描电镜图像。（d）所用涂层的扫描电镜图像和对应的静态接触角图。

该研究设计了一种具有双梯度结构的表面，如图1所示。团队成员使用摩方精密公司的nanoArch® S140 微纳3D打印机制造微米级别的微针阵列，微针底座300 μm，长800 μm，微针间距300 μm，在SEM图像中展示出良好的形貌和阵列分布。

该双梯度表面的第一个梯度结构由连续的凸起岛屿组成，具有侧向不对称的弯曲，可以促进不对称的液滴铺展并加速液滴回弹。第二个梯度由微观锥形微针阵列组成，锥间距在垂直方向上逐渐变窄，使得液滴能在下落过程中储存足够的毛细能量并完成快速的动能-毛细能量转换。

通过实验表明，碰撞该表面的液滴在较低的碰撞速度下（韦伯数小于9.7）呈现出不对称弹跳模式，固液接触时间减少至13.2 ms；在较高的碰撞速度下（韦伯数大于9.7）切换至饼状弹跳模式，固液接触时间进一步减少至4.5 ms。实验和理论分析表明，这种弹跳模式的自适应性是由毛细压力和动态水压力的竞争，以及水平面上液滴铺展过程中的能量重新分布所共同导致。

与先前报道的其他策略相比，该工作设计的双梯度表面结合了不对称弹跳和饼状弹跳的优势，不需要对液滴碰撞点进行精准控制，就可以在较大的韦伯数区间内实现有效的液滴快速脱离，为液滴的快速脱离提供了新的思路。

图2. （a）低韦伯数下的液滴碰撞高速摄像图。（b）高韦伯数下的液滴碰撞高速摄像图。（c）不同韦伯数下液滴接触时间。（d）不同韦伯数下液滴的铺展时间和收缩时间。

图3. （a）不同锥间距的双梯度表面上的液滴接触时间。（b）液滴碰撞过程中的受力分析。（c）液滴碰撞过程中的液滴行为分析。（d）不同锥间距的双梯度表面上的液滴行为分析。（e）不同韦伯数下液滴的动态水压力与毛细压力的比值。

图4. （a）大面积的柔性双梯度表面。（b，c）不同撞击点下的液滴碰撞行为。（d）不同撞击点、不同韦伯数下的液滴接触时间。（e）不同撞击点、不同韦伯数下的液滴回弹系数。

原文链接：

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

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