當(dāng)水滴接觸荷葉表面時(shí)，它們會(huì)形成珠子并滾落下來(lái)，沿途“收集”灰塵顆粒。相反，玫瑰花瓣上的水滴也會(huì)形成珠子，但會(huì)固定在花瓣表面。

圣路易斯華盛頓大學(xué)一位機(jī)械工程師將這兩個(gè)概念結(jié)合起來(lái)，找到了一種更有效的方法，讓液滴從表面蒸發(fā)。麥凱爾維工程學(xué)院機(jī)械工程與材料科學(xué)助理教授帕特里夏·韋森塞(Patricia Weisensee)最初計(jì)劃在表面上建立一種圖案。

既能排斥液體(類似荷葉)，也能針狀液滴(類似玫瑰花瓣)，以影響液滴撞擊時(shí)(如下雨)的濕潤(rùn)。就像荷葉一樣，當(dāng)水撞擊到驅(qū)避性或超疏水的表面時(shí)，液滴很容易反彈，就像雨水打在處理過(guò)的擋風(fēng)玻璃上一樣。在傳熱和蒸發(fā)過(guò)程中，由于水與表面的接觸時(shí)間較短，這些超疏水表面的效率很低。相反，當(dāng)液體接觸到可以潤(rùn)濕的親水性表面時(shí)，它會(huì)擴(kuò)散到表面，形成一個(gè)液體水坑，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能蒸發(fā)。

Weisensee希望創(chuàng)造一種既具有排斥特性又具有潤(rùn)濕特性的表面，從而產(chǎn)生較小的亞液滴，結(jié)合了這兩種表面的優(yōu)點(diǎn)：液滴在潤(rùn)濕表面上的釘扎和蒸發(fā)，而不會(huì)有淹沒(méi)整個(gè)排斥表面的風(fēng)險(xiǎn)。然后，觀察了液滴的行為，以了解更多關(guān)于蒸發(fā)作為高科技電子設(shè)備熱管理冷卻方法的知識(shí)，其研究結(jié)果發(fā)表在《Langmuir》上。研究對(duì)加熱雙疏水表面上蒸發(fā)的單個(gè)水滴熱輸運(yùn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該表面由具有強(qiáng)接觸線釘扎圓形疏水圖案的超疏水基體組成。

將體積為8μL的單個(gè)水滴放置在預(yù)熱表面，并能其在開放的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中蒸發(fā)。研究了襯底取向(水平和垂直)對(duì)蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)的影響。利用光學(xué)和紅外成像技術(shù)，研究了蒸發(fā)液滴的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱特性?？傮w而言，垂直表面的蒸發(fā)效率更高，總傳熱速率更高，蒸發(fā)時(shí)間最多縮短10%。與直覺(jué)相反的是，在垂直表面上，盡管底部有較高接觸角和預(yù)期的楔形效應(yīng)，但襯底-液滴界面熱流密度在下部接觸線附近高于上部區(qū)域。

同時(shí)，液滴下部的溫度較低，研究人員將這種明顯異常歸因于明顯的加熱和蒸發(fā)之間的“競(jìng)爭(zhēng)”作用，以及與水平表面相比，修改后的對(duì)流流動(dòng)特征(包括液滴和氣相內(nèi)的對(duì)流特征)。研究還表明，當(dāng)上下接觸線的接觸角在接近蒸發(fā)過(guò)程結(jié)束時(shí)變得相等時(shí)，熱特征變得均勻。來(lái)自這項(xiàng)研究的見(jiàn)解可以指導(dǎo)噴霧冷卻裝置的設(shè)計(jì)，或者用于在基于蒸發(fā)制造技術(shù)和噴墨打印過(guò)程中改變顆粒沉積圖案。

博科園｜研究/來(lái)自：圣路易斯華盛頓大學(xué)

參考期刊《Langmuir》

DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02853

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