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  當(dāng)雨滴撞擊到不同的固體表面時(shí)，會(huì)發(fā)生形態(tài)各異的鋪展和回縮行為。精準(zhǔn)的控制液滴的動(dòng)態(tài)行為在噴墨打印、定向輸運(yùn)、自組裝與能量收集等領(lǐng)域具有重要的意義。液滴撞擊到超疏水表面的回彈行為已經(jīng)被人們關(guān)注了數(shù)十年，這一過(guò)程中液滴一般會(huì)破裂產(chǎn)生衛(wèi)星液滴。通過(guò)表面微結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性雖可以調(diào)控液滴的鋪展和回縮行為，但是在此過(guò)程中通常伴隨著衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，這些衛(wèi)星液滴是由失穩(wěn)導(dǎo)致主液滴破裂產(chǎn)生的。衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生對(duì)于噴墨打印、自組裝、定向輸運(yùn)與能量收集等應(yīng)用都具有較大的影響。盡管目前液滴操控已經(jīng)取得重要的進(jìn)展，但是如何精確控制衛(wèi)星液滴仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  在液滴撞擊到固體表面的過(guò)程中，最常見(jiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象之一是液滴回縮階段的Plateau-Rayleigh失穩(wěn)：液滴收縮過(guò)程中邊緣的液體發(fā)生向內(nèi)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生向上的液柱，液柱將過(guò)度拉長(zhǎng)，最終在輕微擾動(dòng)下分裂成衛(wèi)星液滴。由于液滴的快速收縮和液滴內(nèi)部的速度梯度，使得液滴在固體表面回彈時(shí)的Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性難以控制。近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的宋延林研究員團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn):通過(guò)在固體表面構(gòu)筑非對(duì)稱浸潤(rùn)性圖案來(lái)打破液滴回縮過(guò)程的對(duì)稱性，能夠抑制Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性，在抑制液滴拉長(zhǎng)的同時(shí)使液滴回彈過(guò)程中不產(chǎn)生衛(wèi)星液滴�；谶@一結(jié)果，水滴能量利用率得到了顯著提高，水力發(fā)電效率可提高36.5%。這一成果發(fā)表在最新一期的Nature Communications （Nat. Commun., 2021, 12, 6899）上。

通過(guò)打破浸潤(rùn)性的對(duì)稱性來(lái)抑制Plateau-Rayleigh失穩(wěn)

  作者在超疏水表面上構(gòu)筑了具有非對(duì)稱粘附力的親水圖案，以直線型圖案（LPW表面）和半圓形圖案（APW表面）為代表,并對(duì)比研究了超疏水表面（SHB表面）與這兩種表面上的液滴的回彈行為差異（圖1a-c）。研究發(fā)現(xiàn)，液滴在SHB表面上有88%的概率會(huì)產(chǎn)生3個(gè)及以上的衛(wèi)星液滴；在LPW表面上有82%的概率會(huì)產(chǎn)生1個(gè)衛(wèi)星液滴；而在APW表面上則有90%的概率不產(chǎn)生衛(wèi)星液滴。同時(shí),他們發(fā)現(xiàn)液滴在脫離表面時(shí)的拉伸程度和液滴的衛(wèi)星數(shù)目正相關(guān)，而與主液滴的動(dòng)能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這表明液滴的失穩(wěn)程度（由拉伸程度和衛(wèi)星液滴的數(shù)目來(lái)表征）可以通過(guò)非對(duì)稱圖案化的浸潤(rùn)性基底來(lái)調(diào)控。

圖1.具有不同浸潤(rùn)性的基材上的液滴的回縮行為

液滴回縮過(guò)程中內(nèi)部的不對(duì)稱流動(dòng)

  為了進(jìn)一步探究非對(duì)稱圖案化浸潤(rùn)性基底抑制液滴Plateau-Rayleigh失穩(wěn)的機(jī)理，作者選取LPW表面作為非對(duì)稱圖案化浸潤(rùn)性基底的代表，將之與SHB表面對(duì)比，探究了液滴內(nèi)部的流動(dòng)情況（圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在LPW表面上，由于非對(duì)稱浸潤(rùn)性圖案提供的不對(duì)稱粘附力的存在，液滴在水平方向累積的側(cè)向速度大于SHB表面上的液滴，同時(shí)豎直方向上的縱向速度梯度要小于SHB表面，因而減小了其拉伸程度（失穩(wěn)程度）。

圖2. 不對(duì)稱/對(duì)稱液滴回縮的動(dòng)力學(xué)

  作者定義了凈流速的概念，以定量探究不對(duì)稱圖案對(duì)液滴失穩(wěn)程度的影響。凈流速即流過(guò)液滴中心截面（圖3a中的虛線截面）的液體流速。最大凈流速能夠很好地描述液滴的非對(duì)稱回縮能力，并與液滴的失穩(wěn)程度吻合（圖3c-d）。

圖3. 液體非對(duì)稱流動(dòng)對(duì)衛(wèi)星液滴、伸長(zhǎng)程度和主液滴動(dòng)能的影響

提高水電收集效率

圖4. 提高水電收集效率

  超疏水表面通常被認(rèn)為是能量利用率最高效的表面。利用非對(duì)稱圖案化浸潤(rùn)性基底與液滴的相互作用可以進(jìn)一步提高液滴能量的利用率。利用APW表面的壓電收集系統(tǒng)的輸出功率要比SHB表面的收集系統(tǒng)高36.5%（圖4c）。該工作為提高液滴能量的收集與利用提供了新的思路。

  該工作的第一完成單位為中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，文章的第一作者是化學(xué)所博士生趙志鵬，通訊作者為化學(xué)所李會(huì)增博士和宋延林研究員，以及清華大學(xué)馮西橋教授。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27237-0

  下載：Breaking the symmetry to suppress the Plateau–Rayleigh instability and optimize hydropower utilization