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?“液滴彈弓”：指哪打哪！

WaterOff
2022-08-10 09:28:17
“擁抱的液滴”：雙液滴合并彈跳及其極限

 

2009年，人們在超疏水表面冷凝實驗時，觀察到雙液滴或多液滴合并彈跳[1]。此后，以液滴合并彈跳為基礎的研究掀起冷凝、結霜、自清潔、水收集的小熱潮，持續至今。然而，液滴合并彈跳必須通過兩個或多個液滴合并實現，速度較小，彈跳方向難以控制，因此限制了表面冷凝換熱、防霧抑霜、自清潔等性能的進一步提升。
視頻1： 超疏水表面雙液滴合并彈跳[2]。液滴直徑：500微米（小拇指指甲蓋的厚度）。慢放1400倍。重力方向朝下。

 

微槽+單液滴=“液滴彈弓”：速度提升100%，指哪打哪！

 

近日，研究者利用超疏水溝槽結構對生長液滴的擠壓作用，突破液滴彈跳的極限，實現單個液滴從表面定向、快速彈射（視頻2）。以400微米半徑液滴為例，單液滴彈射速度為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導致體積增大時，由于窄槽的空間限制，液滴逐步生長為“圓餅”狀。當餅狀液滴冒出槽頂，受壓液滴頂部發生松弛，液滴上下形態、曲率不再對稱，從而產生拉普拉斯壓差，驅動液滴快速彈射。
研究者發現，槽的幾何特征對單液滴彈射現象具有決定性的作用。對于矩形槽，當槽的深寬比為2-5時，液滴可獲得最大的彈射速度。而采用非對稱槽結構時，可以實現液滴的定向彈射（指哪打哪）（視頻2）。此外，研究者還借助局部親水點，將液滴尾部釘扎在表面，實現對生長液滴的形態拉伸和能量積累，進而調控液滴的彈射尺寸和速度（視頻3）。
 
視頻2：單液滴彈射[3]。槽寬400微米（4張百元人民幣的厚度）。慢放500倍。重力方向朝下。
 
視頻3：V形槽單液滴彈射。液滴直徑200微米（眼睫毛的厚度）。慢放500倍。重力方向朝下。
“可是…然后呢？”：單液滴彈射的應用
微小液滴從表面的快速高效乃至定向移除，是提升冷凝換熱和抑霜等性能的關鍵。目前研究者基于單液滴彈射機理，正在開發新的換熱器和防霜表面（圖1），有望進一步提升表面冷凝換熱、抑霜、防霧和自清潔性能。

圖1：冷凝過程中的單液滴彈射（俯視）。槽寬20微米（約為前額發絲直徑）。重力方向指向紙面。
論文主要作者為伊利諾伊大學香檳分校機械系顏笑、秦一萌等，通訊作者為馮杰和Nenad Miljkovic教授。

 

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