雄鹰展翅 — 液滴撞击的超快速反弹

                          ——江雷院士、宋美荣/董智超博士、王毅琳研究员等最新研究成果

  日前，河南农业大学理学院宋美荣博士、中科院理化所董智超博士、中科院化学所王毅琳研究员、江雷院士等，在Nature子刊（NPG Asia Materials）发表关于利用3D打印方法制备大尺度各向异性超疏水结构降低液滴撞击接触时间的研究（Reducing the contact time using macro anisotropic superhydrophobic surfaces — effect of parallel wire spacing on the drop impact），并发现了一种新的撞击动力学模型——雄鹰展翅式，该杂志的影响因子为9.157，属于工程材料类一区杂志，这是该团队在今年3月份在Science子刊（Science advances）发表利用囊泡性表面活性剂AOT解决在超疏水表面上的撞击溅射问题（Controlling liquid splash on superhydrophobic surfaces by a vesicle surfactant）后的又一重要研究成果。

液滴撞击固体表面的现象普遍存在于生产生活和工程领域中, 在自清洁、防冻防冰领域，人们希望液滴能够快速离开表面，其撞击接触时间越短越好，而在喷墨打印、农药喷洒、火灾扑救等领域，人们则希望液滴能够滞留固体表面，液滴撞在固体上的接触时间越长越好。

液滴在超疏水表面上的撞击接触时间只有10~12ms左右，Bird et al.2013年发表了关于水滴撞击中心在一条超疏水大条纹上，由于回撤线的不均匀而导致接触时间继续减少至7.8 ms的工作(Nature, 2013,503:385 )。随后，Gauthier et al., and Liu et al. and Shen et al., 2015年发表了Y型和弯曲表面和十字交叉型超疏水大条纹对水滴撞击接触时间减少到50%左右的报道(Nat. Commun.2015,6:8001；Nat..Commun. 2015,6:10034 )。

尽管大尺度的单条纹或交叉性条纹可以降低水滴撞击的接触时间，但是如果撞击中心远离条纹或图案中心，则其接触时间会和在超疏水表面上的接触时间相同, 这就是所谓的“off-center impact”问题。对于那些需要降低接触时间的应用来说，制备一个水滴无论撞击到任何地方，都可以减少接触时间的表面是非常必要的。而为了避免这种off-center impact，含有多条平行的超疏水大条纹的表面可能是有帮助的，因为可以使任何一个撞击都至少撞击到一条条纹，或者更多的条纹上。与此同时，大尺度沟槽可能会引导液滴在铺展过程中加速向两个相反方向运动，产生新的动力学行为。

文章作者在观察到液滴在水稻上的接触时间大幅度降低后，受到启发，利用3D打印方法制备了这种大尺度的具有平性条纹的各向异性超疏水结构，发现液滴撞击到不同位置（沟槽里和条纹上）的接触时间差别不大，在条纹间距大于1000 µm时，液滴的撞击时间能降低50% 左右，解决了“off-center impact”问题，并发现液滴撞击中心在沟槽时，由于动量集中在平行于沟槽的两个方向上，因此液滴向两侧铺展的趋势被加速，再加上液滴和基底表面受限空气的作用，产生了这种雄鹰展翅飞翔式的撞击动力学行为，并在飞翔过程中发生液滴的分裂，犹如轰炸机发射炸弹一样，而这种动力学行为属于首次发现。这项研究成果将会给自清洁、防冻防冰领域带来启示，也会给农药喷洒、油墨喷涂等领域带来挑战。

以下是该篇文章的主要数据和机理图。

图1 多级各向异性超疏水表面的扫描电镜图和接触角照片。

图2 液滴的不同撞击动力学以及条纹间距对撞击接触时间的影响

图3雄鹰展翅式撞击动力学

雄鹰展翅式撞击动力学分析

该篇文章的链接为http://www.nature.com/doifinder/10.1038/am.2017.122，作者为宋美荣、刘朝晖、马永健、董智超、王毅琳和江雷。