跃动的灵魂——超疏水表面液滴弹跳(转载)
更新于2022年10月26日 17:32开放群：566811107（资料多，不仅限交流）
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l 液滴为什么会弹跳；
l “饼状”弹跳 (pancake bouncing)；
l “蹦床”弹跳 (trampolining)；
l “旋转”弹跳 (gyrating)。
1. 液滴为什么会弹跳
相信在大部分人的直观印象里，液滴撞击到物体表面都会快速铺展开，然后润湿该表面。但如果你生活中细心观察的话，会发现在洗桃子这种表面有绒毛的水果时，水滴滴落在表面会快速弹开，其实桃子带有绒毛的表面就可以理解为超疏水表面，而这种现象就可以理解为液滴弹跳现象（图 1）。
图 1 超疏水表面液滴弹跳现象
那为什么会产生这种反直觉的现象呢？可以从能量转化的角度思考一下：
液滴在碰撞表面前具有一定的动能，碰撞之后，液滴铺展开，表面积增大，动能一部分转化为表面能，另一部分转化为粘性耗散。之后，液滴在表面张力作用下收缩，表面能减小，转化为动能，液滴重新从表面弹起。
这里需要说明一下流体力学研究中常用到的无量纲参数韦伯数（We）和雷诺数（Re）:
其中，ρ是液体密度，l是特征长度，v是流速，σ是表面张力系数，μ是粘度。
韦伯数的含义是惯性力/表面张力，We越小，表面张力影响越显著，因此液滴直径和撞击速度不能过大。雷诺数的含义是惯性力/粘性力，Re越小，粘性力主导，层流流动。
一般在液滴弹跳研究中，Re小于100，粘性耗散可以忽略，因此只需关注We。
以下将分别介绍三种特殊的弹跳行为：饼状弹跳、蹦床弹跳及旋转弹跳。
2.“饼状”弹跳 (pancake bouncing)
香港城市大学王钻开教授团队针对pancake bouncing开展了深入的研究，于2014和2015年陆续在Nature Physics上发表了相关成果[1]。研究发现，针对针状超疏水表面，传统的液滴弹跳行为主要包含四个阶段：撞击、铺展、收缩、弹跳。然而，在We>12.6时，液滴在铺展后会直接从表面弹起，省略了收缩阶段。弹起的液滴就像一个薄饼，因此这种模式被定义为pancake bouncing（图 2）。
相比于传统弹跳模式，Pancake bouncing模式可将接触时间由16.5毫秒（图 3）缩短至3.4毫秒（图 4）。在航空航天、交通运输、基础建设领域都存在表面防结冰的需求，大幅缩短液滴与表面接触时间可以有效提升防冰性能，在防冰领域具有重大的意义
图 3 传统弹跳模式（We=7.1）[1]
图 4 Pancake bouncing模式（We=14.1）[1]
什么是“蹦床”弹跳呢？这是一种更加神奇的现象，甚至乍看上去是违反物理定律的。超疏水表面静置的液滴，在环境压力逐渐减小（抽真空）的过程中会自发的弹跳起来，而且会越跳越高（图 5），就好像蹦床上的运动员一样。瑞士苏黎世联邦理工学院的Thomas m. Schutzius团队针对这一神奇现象开展了系统的研究，并于2015年在Nature上发布了相关成果。[2]
图 5 Trampolining现象[2]
这种奇怪的现象其实是来自于液滴表面的快速气化。抽真空时，液滴底部的水蒸气受空气阻拦难以抽出，导致底部压力逐渐增大，到达临界值后液滴脱离表面开始弹跳。
Trampolining这一神奇的现象，为防冰/除冰研究提供了新的思路，如果能将实验室条件拓宽到工业应用中，将产生重大的价值。
4.“旋转”弹跳 (gyrating)
“旋转”弹跳(gyrating)顾名思义，是指液滴在撞击表面后在法向快速旋转，同时脱离表面的现象（图 6）。
图 6 Gyrating现象
清华大学冯西桥教授和中科院宋延林研究员合作开展了液滴“旋转”弹跳(gyrating)的研究，于2019年在Nature Communication上发表了相关成果[3]。研究发现，液滴在撞击异质表面后，由于粘附力不同，液滴在收缩过程中各向受力相异，在法向产生加速度，造成液滴快速旋转（图 7），最高转速可到7300rpm。这种神奇的自发旋转现象，有望在能源（高速马达）领域展开应用。同时，该研究启发了后续学者通过表面设计实现液滴运动控制的思路。
参考文献：
1. Liu, Y.; Moevius, L.; Xu, X.; Qian, T.; Yeomans, J. M.; Wang, Z., Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics 2014, 10 (7), 515-519.
2. Schutzius, T. M.; Jung, S.; Maitra, T.; Graeber, G.; Köhme, M.; Poulikakos, D., Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces. Nature 2015, 527 (7576), 82-85.
3. Li, H.; Fang, W.; Li, Y.; Y
原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/122501475?utm_source=qq&utm_medium=social&utm_oi=1057616139894542336
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