在自然界中，一些植物通過風傳播種子，這些種子進化成特定的幾何形狀，以在重力或風控制的被動自由落體中優(yōu)化飛行穩(wěn)定性和運輸距離。受到這種直升機式的風傳播機制的啟發(fā)，構建了一系列的微型飛行器，在環(huán)境監(jiān)測和無線通信中具有巨大的潛力。然而，在雨天微型飛行器要承受雨滴的密集沖擊，其飛行穩(wěn)定性和安全性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
為了解決這一問題，來自北京科技大學的褚福強團隊和馮妍卉團隊提出了將超疏水表面應用于微型飛行器的策略。制備出的超疏水表面可以促進雨滴的擴散，減少雨滴的接觸時間和沖擊力，有效保護微型飛行器在雨天條件下安全飛行。相關研究成果以“Superhydrophobic Strategy for Nature-Inspired Rotating Microfliers:Enhancing Spreading, Reducing Contact Time, and Weakening Impact Force of Raindrops”為題于2022年12月13日發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。自然界中的許多植物都進化出了可以隨風飛翔的種子，三葉種子就是其中之一。受三葉種子風傳播機制的啟發(fā)，微型飛行器被構建和優(yōu)化應用于環(huán)境監(jiān)測或通信。然而，在雨天中存在雨滴會破壞微型飛行器的飛行穩(wěn)定性，甚至將其擊落的情況。考慮到超疏水表面（如荷葉）對水具有良好的排斥性，我們提出了將超疏水表面應用于微型飛行器的策略。圖1 受自然啟發(fā)的旋轉(zhuǎn)微型飛行器的超疏水表面的制備掃描電子顯微鏡（SEM）和掃描共聚焦顯微鏡顯示了超疏水表面具有分層的花狀結(jié)構，這種微觀結(jié)構與荷葉上的微觀結(jié)構非常相似，是具有優(yōu)良的超疏水性的前提（圖2a，b）。能量色散光譜（EDS）表明溶液中的銅離子被成功地取代并沉積在鋁表面并且驗證了氟烷基硅烷在表面的水解和自組裝過程（圖2c）。在室溫下，用接觸角儀測量出表面的靜態(tài)(θ)接觸角為160±2°、前進（θa）和后退（θr）接觸角的差值（即接觸角滯后）小于10°，表明表面具有超疏水性（圖2d）。經(jīng)過50次循環(huán)砂沖擊試驗或60 min水沖擊試驗，表面仍保持良好的超疏水性，顯示了超疏水性表面的耐久性（圖2f、g）。圖2 受自然啟發(fā)的旋轉(zhuǎn)微型飛行器的超疏水表面的表征液滴接觸固定超疏水表面后首先向外擴散，到4.5 ms達到最大擴散。然后向沖擊點收縮，最終在17 ms時從超疏水表面完全反彈（圖3a）。與在固定超疏水表面相比，液滴以中等角速度沖擊旋轉(zhuǎn)的超疏水表面，擴散階段似乎沒有變化，但在收縮階段，由于液滴受到表面旋轉(zhuǎn)的影響，中間部分被略微拉伸，接觸時間也減少（圖3b）。當超疏水表面的轉(zhuǎn)速進一步增加到628 rad/s，液滴形態(tài)差異比固定固定超疏水表面變化明顯，在收縮階段可以清楚地看到液滴的中部由于旋轉(zhuǎn)效應而被離心力嚴重拉伸和變形，從表面反彈時呈現(xiàn)出陀螺形狀（圖3c）。隨著We和ωsurf的增加，βmax也增加，（圖4a），最大擴散（ωs，max）時的角速度與表面角速度（ωsurf）成正比（圖4b），不同的We和ωsurf條件下的液滴最大擴散系數(shù)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出很好的線性關系（圖4c），表明雨滴與微飛行器表面之間的接觸充分，有利于旋轉(zhuǎn)微型飛行器執(zhí)行環(huán)境雨水監(jiān)測任務。5. 液滴在超疏水表面上的旋轉(zhuǎn)動力學研究顯示，當液滴撞擊旋轉(zhuǎn)表面的中心時，液滴下的空氣邊界層產(chǎn)生切向阻力，驅(qū)動液滴旋轉(zhuǎn)（圖5a）。在擴散階段（τ* < 0.72），ωdrop從零逐漸增加；在收縮階段（τ* > 0.72），ωdrop先緩慢增加，后迅速增加，最后開始減少（圖5b）。開始階段，大部分的流體滴沒有角速度或速度非常小，液滴的切向速度只發(fā)生在薄層靠近表面。中間收縮階段，液滴旋轉(zhuǎn)啟動已經(jīng)完成，液滴有一個全局角速度。縮回階段后期，液滴與表面的接觸面積迅速減小，使液滴失去了來自表面的驅(qū)動效應，導致液滴旋轉(zhuǎn)的減少，液滴從有邊緣的薄餅形變?yōu)榧氶L的紡錘或陀螺狀（圖5c?e)。研究數(shù)據(jù)表明，當表面轉(zhuǎn)速增加時，接觸時間會繼續(xù)減少，擴散時間幾乎不隨表面旋轉(zhuǎn)速度而變化（圖6a，b）。在高速旋轉(zhuǎn)的表面上，液滴具有較大的角速度，離心力不僅將液滴拉伸成陀螺形狀，還會在液滴內(nèi)部產(chǎn)生負壓，加速了液滴從表面的分離（圖6c，d）。沖擊力對旋轉(zhuǎn)超疏水表面的變化有兩個峰，第一個峰值的大小和出現(xiàn)時間相同，但旋轉(zhuǎn)超疏水表面的第二個沖擊峰值明顯小于靜止表面的峰值。在旋轉(zhuǎn)的親水表面上，液滴的沖擊力只有一個峰值，由于液滴不發(fā)生反擴散，在液滴擴散的后期，沖擊力突然增加（圖6e）。研究不同情況下液滴對固體表面施加的沖擊力的平均值，發(fā)現(xiàn)液滴對旋轉(zhuǎn)親水表面的沖擊力最大，并且旋轉(zhuǎn)超疏水表面的沖擊力小于對靜止超疏水表面的沖擊力（圖6f）。以上所有結(jié)果表明，利用超疏水表面有助于減少雨滴對微型飛行器飛行穩(wěn)定性的不良影響，這將指導旋轉(zhuǎn)微型飛行器的設計和制造。考慮到受自然啟發(fā)的微型飛行器在雨天天氣中的局限性，提出利用超疏水表面來提高被雨滴撞擊的的微型飛行器飛行穩(wěn)定性，同時提高其環(huán)境探測性能。為了模擬雨滴撞擊微型飛行器的情景，研究了液滴對旋轉(zhuǎn)超疏水表面中心的沖擊動力學影響，并討論了液滴對表面的影響。在空氣邊界層的切向阻力驅(qū)動下，液滴在收縮過程中逐漸獲得內(nèi)部角速度，液滴旋轉(zhuǎn)速度達到最大。由于液滴的旋轉(zhuǎn)，在液滴內(nèi)部形成了一個負壓，從而使接觸時間減少了高達30%。這種增強傳播但減少接觸時間的反直覺的結(jié)果，非常有利于微翼飛行器執(zhí)行準確和快速的環(huán)境監(jiān)測任務。此外還證明了對旋轉(zhuǎn)超疏水表面的沖擊力減弱了53%，表明利用超疏水涂層有助于保持旋轉(zhuǎn)微型飛行器在雨天的飛行穩(wěn)定性。我們的工作不僅報告了液滴對高速旋轉(zhuǎn)超疏水表面的中心影響的新結(jié)果，并建立了統(tǒng)一的標度定律，為微型飛行器的設計、飛行和應用提供了基礎。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c16662
