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​“液滴弹弓”:指哪打哪!

2020年10月27日 点击:
“拥抱的液滴”:双液滴合并弹跳及其极限


2009年,人们在超疏水表面冷凝实验时,观察到双液滴或多液滴合并弹跳[1]。此后,以液滴合并弹跳为基础的研究掀起冷凝、结霜、自清洁、水收集的小热潮,持续至今。然而,液滴合并弹跳必须通过两个或多个液滴合并实现,速度较小,弹跳方向难以控制,因此限制了表面冷凝换热、防雾抑霜、自清洁等性能的进一步提升。
视频1: 超疏水表面双液滴合并弹跳[2]。液滴直径:500微米(小拇指指甲盖的厚度)。慢放1400倍。重力方向朝下。


微槽+单液滴=“液滴弹弓”:速度提升100%,指哪打哪!


近日,研究者利用超疏水沟槽结构对生长液滴的挤压作用突破液滴弹跳的极限,实现单个液滴从表面定向、快速弹射(视频2)。以400微米半径液滴为例,单液滴弹射速度为0.5m/s,相比同尺寸合并液滴,速度提升100%。
液滴在超疏水窄槽中由于冷凝或者外部滴加导致体积增大时,由于窄槽的空间限制,液滴逐步生长为“圆饼”状。当饼状液滴冒出槽顶,受压液滴顶部发生松弛,液滴上下形态、曲率不再对称,从而产生拉普拉斯压差,驱动液滴快速弹射。
研究者发现,槽的几何特征对单液滴弹射现象具有决定性的作用。对于矩形槽,当槽的深宽比为2-5时,液滴可获得最大的弹射速度。而采用非对称槽结构时,可以实现液滴的定向弹射(指哪打哪)(视频2)。此外,研究者还借助局部亲水点,将液滴尾部钉扎在表面,实现对生长液滴的形态拉伸和能量积累,进而调控液滴的弹射尺寸和速度(视频3)。
视频2:单液滴弹射[3]。槽宽400微米(4张百元人民币的厚度)。慢放500倍。重力方向朝下。
视频3:V形槽单液滴弹射。液滴直径200微米(眼睫毛的厚度)。慢放500倍。重力方向朝下。
“可是…然后呢?”:单液滴弹射的应用
微小液滴从表面的快速高效乃至定向移除,是提升冷凝换热和抑霜等性能的关键。目前研究者基于单液滴弹射机理,正在开发新的换热器和防霜表面(图1),有望进一步提升表面冷凝换热、抑霜、防雾和自清洁性能。

图1:冷凝过程中的单液滴弹射(俯视)。槽宽20微米(约为前额发丝直径)。重力方向指向纸面。
论文主要作者为伊利诺伊大学香槟分校机械系颜笑秦一萌等,通讯作者为冯杰Nenad Miljkovic教授


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