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?“液滴弹弓”：指哪打哪！

WaterOff

2022-08-10 09:28:17

“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，通讯作者为冯杰和Nenad Miljkovic教授。

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