超疏水表面的饼状液滴弹跳的现象、机理以及应用

Engineering superhydrophobic surfaces that promote rapid drop detachment is of importance to a wide range of applications. The complete drop rebound from superhydrophobic surfaces is the most spectacular feature of water repellency, in which a drop typically undergoes both spreading and retraction before leaving the surface. The contact time between the droplet and underlying solid surface is constrained by a theoretical contact time limit. Recently, we discovered a counter-intuitive bouncing regime on the superhydropobic surface with special texture, allowing for a four-fold reduction in contact time compared to conventional complete rebound. Such a regime is characterized by drop detachment from the surface close to its maximum lateral extension, a behaviour that we shall term pancake bouncing. In this project, we will systemtically investigate the detailed impact dynamics of droplet on the superhydrophobic surface with different textures, elucidiate the fundamental mechanism from the timescale and energy criteria. The discovery of pancake bouncing which can achieve significantly shortened contact times not only enriches our fundamental understanding of wetting dynamics, but will also stimulate new applications such as anti-icing.

开发能够让液滴快速脱离固体表面的超疏水材料，具有重要的科学意义和工程应用价值。在常规的超疏水材料的表面上，液滴能够完全弹性弹起，并且液滴与固体表面的接触作用时间遵守一个瑞利常数。最近我们在一种特殊的微纳米结构上发现了一种反常的饼状液滴弹跳现象，也就是液滴能够在达到最大横向铺展时纵向弹起，避免了经历常规弹性弹跳中的回缩过程，从而打破了液滴与衬底接触时间的理论极限（我们初步的实验显示可将理论接触时间缩短80%）。本项目中，我们将系统研究液滴与各种超疏水表面作用的动力学过程，研究结构参数对饼状弹跳的影响，从时间尺度和能量角度去解释这一物理现象的动力学机制。新型的饼状液滴弹跳的发现以及对其进行深入的研究不仅会加强我们对液体在微/纳米结构表面上的复杂动力学行为的理解，而且它大大缩短固液接触时间的优点将为开发新型防结冰材料提供新的思路。

仿生功能表面是指通过对自然生物表面的模拟，制备的人工多尺度微纳复合结构表面，是一个机械、材料、力学、化学和生物等多学科交叉的研究方向，已成为仿生制造领域的国际前沿和研究热点。面向航空航天、能源装备和环境保护等领域，借鉴大自然的启迪，开发应用于界面减阻、自清洁/防污、强化传热及抗结冰的新型超疏水表面成为重要发展方向。这些应用都涉及液滴在表面的动态行为，尤其是如何加快液体从固体表面的脱离。然而液体在超疏水表面的接触时间存在物理极限，如何突破常规的设计理论和制造方法，打破接触时间极限，建立新的理论和材料体系具有重要的科学和工程意义。.本项目以仿生超疏水表面为研究对象，尤其在表面液滴微观动态行为等基础研究方面取得了一些原创性和突破性的科研成果，设计与制备出新型微纳结构表面，在抗结冰/除霜、强化传热等方面具有重要应用前景。在自然科学基金的大力支持下，我们的科研在过去的几年接连取得了一些突破性的成果。我们创造性发展、建立了基于亚毫米级几何尺寸的新型超浸润材料体系，打破常规超浸润材料固液接触时间的物理极限。开发具有弹簧效应的超浸润结构，在世界上首次发现液滴在超疏水表面的饼状弹跳现象，成功将液滴在常规超疏水表面（荷叶效应）接触时间的物理理论极限缩短了80%，建立理论模型并阐述其物理机制。基于水莲花表面凸凹结构的生物启发，设计与制造出凹凸性结构，揭示了结构弧度对液滴微观动量传递的影响；首次发现基于猪笼草的油膜调控超疏水特性的机制，提出基于薄膜润滑理论的能量耗散模型，建立展现超疏水特性的边界条件准则，极大地提高了液体在液体表面滑移速度。基于仿生大自然中蘑菇孢头的释放现象，我们开发了一种具有结构梯度的新鲜结构，能让液滴在高温下定向运动，避免不希望的膜状沸腾区域。