水滴落在超疏水表面上的沖擊力

液滴與固體表面的撞擊在自然界和生產(chǎn)生活中廣泛存在。例如，液滴撞擊到荷葉后會快速滾落，荷葉的這種特殊潤濕性被稱為超疏水。超疏水表面具有自清潔、防霧防霜、抗結(jié)冰、高效冷凝等優(yōu)異特性，在環(huán)境、能源、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。然而，在一些情況下，液滴撞擊不僅可能導致超疏水功能的失效，甚至導致材料本身的破壞。人們對液滴撞擊超疏水表面的動態(tài)作用力及其機制這一基本的科學問題至今仍然不清楚，從而制約著超疏水材料的應用。

水滴從非潤濕表面上彈起，向上噴出。這個運動產(chǎn)生了一個向下的力，這個力可能比最初的沖擊力更大。 近期，清華大學航天航空學院呂存景副教授、馮西橋教授課題組在期刊Physical Review Letters在線發(fā)表了題為“Impact forces of water drops falling on superhydrophobic surfaces”的研究論文，并被選為“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）。該文首次報道了水滴撞擊超疏水表面過程中的動態(tài)作用力峰值隨韋伯數(shù)（Weber number，We）的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在低速撞擊情況下（We=9附近），在水滴回彈階段出現(xiàn)的第二個峰值力居然可以遠大于初始撞擊階段的峰值力，這為理解水滴與超疏水表面的動態(tài)相互作用以及設計具有高穩(wěn)定性疏水功能的材料提供了新的視角。同時，Nature期刊將該成果作為研究亮點（Research Highlights）進行了報道，標題為“The physics of a bouncing droplet’s impact”。

圖1 水滴撞擊超疏水表面的液滴形態(tài)和作用力：（a）實驗裝置示意圖；（b）水滴形態(tài)演化的數(shù)值模擬；（c）水滴形態(tài)和作用力隨時間的演化。 該研究通過細致的實驗測量和理論分析發(fā)現(xiàn)，在撞擊過程中水滴與超疏水表面的作用力主要存在兩個峰值（圖1）。第一個峰值出現(xiàn)在初始撞擊階段，源于撞擊過程中水滴動量的快速變化，在大韋伯數(shù)下（We>30）由慣性力主導，而在小韋伯數(shù)下（We<30）同時受到慣性力和表面張力的影響（圖2a）。第二個峰值源于水滴回縮過程形成的Worthington射流，具有四個特征區(qū)間（圖2b）：（I）We< 5.3為毛細區(qū)，水滴內(nèi)部震蕩行為顯著，多峰值出現(xiàn)；（II）5.3100為飛濺區(qū)，撞擊過程中水滴破碎導致第二個峰值急劇下降。

圖2 水滴撞擊力峰值隨韋伯數(shù)的變化規(guī)律：（a）第一個峰值力隨韋伯數(shù)的變化規(guī)律；（b）第二個峰值力隨韋伯數(shù)的變化規(guī)律；（c）氣穴潰滅引起的高速射流及作用力；（d）不同韋伯數(shù)下撞擊力達到第二個峰值時對應的水滴形態(tài)；（e）參數(shù)定義；（f）第二個峰值力的理論預測、數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比。 清華大學航院張彬博士后與呂存景副教授分別為論文的第一作者與通訊作者。清華大學航院馮西橋教授和荷蘭特溫特大學迪特里夫·羅斯（Detlef Lohse）教授為本工作的合作者。其他作者包括荷蘭特溫特大學博士生瓦特賽爾·桑杰（Vatsal Sanjay）、清華大學航院史松林博士、2018級博士生趙迎港。該成果得到了國家自然科學基金面上項目、青年項目和國家海外高層次人才引進項目等的資助。

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.104501

審核編輯 ：李倩