液滴與固體表面的撞擊在自然界和生產(chǎn)生活中廣泛存在。例如，液滴撞擊到荷葉后會(huì)快速滾落，荷葉的這種特殊潤(rùn)濕性被稱為超疏水。超疏水表面具有自清潔、防霧防霜、抗結(jié)冰、高效冷凝等優(yōu)異特性，在環(huán)境、能源、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在一些情況下，液滴撞擊不僅可能導(dǎo)致超疏水功能的失效，甚至導(dǎo)致材料本身的破壞。人們對(duì)液滴撞擊超疏水表面的動(dòng)態(tài)作用力及其機(jī)制這一基本的科學(xué)問(wèn)題至今仍然不清楚，從而制約著超疏水材料的應(yīng)用。

水滴從非潤(rùn)濕表面上彈起，向上噴出。這個(gè)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)向下的力，這個(gè)力可能比最初的沖擊力更大。 近期，清華大學(xué)航天航空學(xué)院呂存景副教授、馮西橋教授課題組在期刊Physical Review Letters在線發(fā)表了題為“Impact forces of water drops falling on superhydrophobic surfaces”的研究論文，并被選為“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）。該文首次報(bào)道了水滴撞擊超疏水表面過(guò)程中的動(dòng)態(tài)作用力峰值隨韋伯?dāng)?shù)（Weber number，We）的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在低速撞擊情況下（We=9附近），在水滴回彈階段出現(xiàn)的第二個(gè)峰值力居然可以遠(yuǎn)大于初始撞擊階段的峰值力，這為理解水滴與超疏水表面的動(dòng)態(tài)相互作用以及設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性疏水功能的材料提供了新的視角。同時(shí)，Nature期刊將該成果作為研究亮點(diǎn)（Research Highlights）進(jìn)行了報(bào)道，標(biāo)題為“The physics of a bouncing droplet’s impact”。

圖1 水滴撞擊超疏水表面的液滴形態(tài)和作用力：（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）水滴形態(tài)演化的數(shù)值模擬；（c）水滴形態(tài)和作用力隨時(shí)間的演化。 該研究通過(guò)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析發(fā)現(xiàn)，在撞擊過(guò)程中水滴與超疏水表面的作用力主要存在兩個(gè)峰值（圖1）。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在初始撞擊階段，源于撞擊過(guò)程中水滴動(dòng)量的快速變化，在大韋伯?dāng)?shù)下（We>30）由慣性力主導(dǎo)，而在小韋伯?dāng)?shù)下（We<30）同時(shí)受到慣性力和表面張力的影響（圖2a）。第二個(gè)峰值源于水滴回縮過(guò)程形成的Worthington射流，具有四個(gè)特征區(qū)間（圖2b）：（I）We< 5.3為毛細(xì)區(qū)，水滴內(nèi)部震蕩行為顯著，多峰值出現(xiàn)；（II）5.3100為飛濺區(qū)，撞擊過(guò)程中水滴破碎導(dǎo)致第二個(gè)峰值急劇下降。

圖2 水滴撞擊力峰值隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律：（a）第一個(gè)峰值力隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律；（b）第二個(gè)峰值力隨韋伯?dāng)?shù)的變化規(guī)律；（c）氣穴潰滅引起的高速射流及作用力；（d）不同韋伯?dāng)?shù)下撞擊力達(dá)到第二個(gè)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的水滴形態(tài)；（e）參數(shù)定義；（f）第二個(gè)峰值力的理論預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。 清華大學(xué)航院張彬博士后與呂存景副教授分別為論文的第一作者與通訊作者。清華大學(xué)航院馮西橋教授和荷蘭特溫特大學(xué)迪特里夫·羅斯（Detlef Lohse）教授為本工作的合作者。其他作者包括荷蘭特溫特大學(xué)博士生瓦特賽爾·桑杰（Vatsal Sanjay）、清華大學(xué)航院史松林博士、2018級(jí)博士生趙迎港。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目和國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目等的資助。

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.104501

審核編輯 ：李倩