在許多情況下，工程師們希望盡量減少水滴或其他液體與它們落在表面的接觸。無論目的是防止飛機(jī)機(jī)翼或風(fēng)力渦輪機(jī)葉片結(jié)冰，還是防止降雨過程中表面的熱量損失，或防止暴露在海洋噴霧中的表面積聚鹽分，讓水滴盡可能快地彈回來，并盡可能減少與表面的接觸量，都是保持系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究表明，一種減少液滴和表面接觸的新方法。

以前的嘗試，包括同一團(tuán)隊(duì)的成員，都專注于將液滴與表面接觸的時(shí)間最小化，而新方法則專注于接觸的空間范圍，試圖將液滴在彈回之前的擴(kuò)散距離最小化。麻省理工學(xué)院研究生亨利·路易斯·吉拉爾、博士后丹·索托和機(jī)械工程教授克里帕·瓦拉納西在《ACS Nano》上發(fā)表的一篇研究論文中描述了這些新發(fā)現(xiàn)。這一過程的關(guān)鍵是在材料表面創(chuàng)造一系列凸起圓環(huán)形狀，這將導(dǎo)致下落的液滴以碗狀向上飛濺，而不是在表面平流。

這項(xiàng)研究是瓦拉納西和團(tuán)隊(duì)之前的一個(gè)項(xiàng)目后續(xù)工作，在該項(xiàng)目中能夠通過在表面創(chuàng)建凸的脊線來減少水滴在表面上的接觸時(shí)間，從而破壞了撞擊水滴的擴(kuò)散模式。但是新研究更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了液滴接觸時(shí)間和接觸面積的更大減少。例如，為了防止機(jī)翼結(jié)冰，有必要讓撞擊的水滴在比水結(jié)冰所需時(shí)間更短的時(shí)間內(nèi)彈回地面。早期脊?fàn)畋砻娲_實(shí)成功地縮短了接觸時(shí)間，從那時(shí)起，發(fā)現(xiàn)這里還有另一個(gè)問題：那就是在反彈和彈回之前，水滴擴(kuò)散了多遠(yuǎn)。

減少撞擊液滴的接觸面積也應(yīng)該對相互作用的轉(zhuǎn)移特性產(chǎn)生顯著影響。研究小組開展了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，如果凸起的水圈大小剛好合適，覆蓋在水面上，就會導(dǎo)致水從撞擊的水滴向上方飛濺，形成碗狀的飛濺，而向上飛濺的角度可以通過調(diào)節(jié)這些水圈的高度和輪廓來控制。如果環(huán)的大小與液滴大小相比過大或過小，系統(tǒng)效率就會降低，或者根本不起作用，但如果環(huán)的大小合適，效果就會非常顯著。

結(jié)果表明，僅僅減少接觸時(shí)間不足以達(dá)到最大程度的減少接觸；關(guān)鍵是接觸時(shí)間和范圍的結(jié)合。在一個(gè)軸上的接觸時(shí)間圖和另一個(gè)軸上的接觸面積圖中，真正重要的是曲線下的總面積，即時(shí)間和接觸范圍的乘積。在以前的研究中，擴(kuò)散區(qū)域是“另一個(gè)沒有接觸過的軸”。當(dāng)開始這樣做的時(shí)候，看到了一個(gè)劇烈的反應(yīng)，液滴的總時(shí)間和面積接觸減少了90%。通過形成‘水碗’來減少接觸面積的想法，在減少總體互動方面的效果要比單獨(dú)減少接觸時(shí)間大得多。

當(dāng)水滴開始在凸起的圓圈內(nèi)散開時(shí)，它一碰到圓圈的邊緣就開始偏轉(zhuǎn)。動量被重新指向上方。盡管它最終會向外擴(kuò)散，但它不再在表面，因此不會冷卻表面，不會結(jié)冰，也不會堵塞“防水”織物上的毛孔。本身可以用不同的方法和不同材料制成，重要的大小和間距。在一些測試中，使用的是在基片上打印三維圓環(huán)，而在另一些測試中，使用的是與微芯片制造類似的蝕刻工藝產(chǎn)生圖案的表面。其他環(huán)是通過電腦控制的塑料銑削制成，雖然較高速度的液滴撞擊通常會對表面造成更大破壞。

但在這個(gè)系統(tǒng)中，較高速度實(shí)際上提高了重定向的效率，比較慢的速度清除更多液體。這對于實(shí)際應(yīng)用來說是個(gè)好消息，例如在處理相對高速的降雨方面。實(shí)際上，越快，效果就越好。除了防止機(jī)翼結(jié)冰外，這個(gè)新系統(tǒng)還可以有廣泛的應(yīng)用。例如，“防水”面料會變得飽和，當(dāng)水充滿纖維之間的空間時(shí)就會開始滲漏，但當(dāng)使用表面環(huán)處理時(shí)，面料保持排水能力的時(shí)間更長，總體表現(xiàn)更好，通過使用環(huán)結(jié)構(gòu)，改善了50%。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《ACS Nano》

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