物質(zhì)科學(xué)
Physical science
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電學(xué)院郝崇磊助理教授與李兵教授團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了基于有序微結(jié)構(gòu)上的液滴定向餅狀彈跳現(xiàn)象。該工作為液滴的快速脫離提供了新的思路，2022年1月10日，該研究成果以“Oblique pancake bouncing"為題發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。
哈工大（深圳）機(jī)電學(xué)院陶然博士和2018級本科生梁國強(qiáng)為該論文共同第一作者。
固/液接觸時(shí)間是衡量界面動(dòng)態(tài)潤濕性的重要參數(shù)，也是決定固液之間質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞效率的關(guān)鍵因素之一。在流體與熱能傳輸、能源收集、防污減阻和防覆冰等涉及多物理場耦合的機(jī)械工程應(yīng)用場景下，如何減少固/液作用時(shí)間并促進(jìn)復(fù)雜表面液滴高效流動(dòng)與傳輸是一個(gè)共性難題。盡管研究者們已經(jīng)提出過一些減少固液接觸時(shí)間的方法，然而液滴在撞擊反彈后會再次降落在撞擊點(diǎn)附近，造成固液二次接觸從而不利于流體從工況表面的快速脫離。
針對上述問題，近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電學(xué)院郝崇磊助理教授與李兵教授團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了基于有序微結(jié)構(gòu)上的液滴定向餅狀彈跳現(xiàn)象。研究者設(shè)計(jì)了一種傾斜的Janus微結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)固液接觸時(shí)間減少（液滴呈餅狀反彈）和液滴的定向輸運(yùn)。液滴定向輸運(yùn)的距離可通過對固體表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液滴自身的物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。該工作為液滴的快速脫離提供了新的思路。
通過3D打印加工制造的傾斜Janus結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合了結(jié)構(gòu)單元自身非對稱（一面為平面，一面為曲面）效應(yīng)和結(jié)構(gòu)陣列傾斜效應(yīng)，由此可提高液滴定向運(yùn)動(dòng)的能力。同時(shí)，研究者也設(shè)計(jì)了傾斜圓錐結(jié)構(gòu)作為對照實(shí)驗(yàn)對象。
圖1 仿生傾斜Janus和傾斜圓錐結(jié)構(gòu)的形貌特征
由于傾斜Janus單元的二級不對稱性，毛細(xì)力在其平面?zhèn)群颓鎮(zhèn)鹊乃椒至坎荒芟嗷サ窒虼嗽谝后w碰撞過程中，受到一個(gè)水平力，使得液滴產(chǎn)生水平方向運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，微結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得液滴受到一個(gè)向上的毛細(xì)排空力，引發(fā)液滴在回縮之前呈餅狀反彈。兩種效應(yīng)的作用在時(shí)間尺度與空間尺度相互耦合，促成液滴定向餅狀彈跳。在傾斜Janus和傾斜圓錐結(jié)構(gòu)上，液滴均呈現(xiàn)出定向餅狀彈跳狀態(tài)，但液滴在傾斜Janus結(jié)構(gòu)上的定向輸運(yùn)位移距離更長。
圖2 液滴定向餅狀反彈動(dòng)態(tài)和機(jī)理
液滴定向餅狀反彈在高韋伯?dāng)?shù)下也能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，液滴定向運(yùn)動(dòng)能力受韋伯?dāng)?shù)調(diào)控，韋伯?dāng)?shù)越高，定向移動(dòng)距離越大。
圖3 高韋伯?dāng)?shù)下的定向餅狀彈跳
進(jìn)一步，研究者們闡明了液滴定向餅狀彈跳在不同溫度下的普適性。液滴定向運(yùn)行位移、固液接觸時(shí)間、以及接觸線的時(shí)間演變趨勢均與基底溫度無關(guān)。這是因?yàn)榕鲎策^程中固液接觸時(shí)間極短，由此限制了從固體到液體的傳熱。
圖4 不同溫度下的定向餅狀彈跳動(dòng)態(tài)表征
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100721
CellPress細(xì)胞出版社
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