液滴在仿生材料上迁移的基本原理

自然界中的许多生物系统通过在其界面处操纵液体状态来协调其对环境的适应性。具有大于150°的水静态接触角（CA）的超疏水表面（SHS），如荷叶（见图149.1（a））允许液滴容易地离开表面。其极高的落差流动性是其表面微纳量级的凸起结构（见图149.1（b））和低表面能共同作用的结果。自然界中的一些动物也随着有吸引力的液体驱避表面而运动，如水黾（见图149.1（c））能够进行水上行走/跳跃的非浸润腿由定向的微型刚毛组成（见图149.1（d）），蝴蝶翅膀允许液滴定向脱落，以及蚊子眼睛具有在湿气凝结情况下保持干燥的能力等。除荷叶般的超疏水表面外，自然界还利用了另一种概念上不同的方法来实现防水性，如猪笼草（见图149.1（e））具有通过光滑、稳定的液体界面捕获和消化节肢动物的能力（见图149.1（f））。这种表面也消除了超疏水表面中遇到的压力引起的刺穿问题。

在过去的十年中，人们对天然和仿生结构化表面的液滴动力学的基本理解和实际应用的水平（见图149.1（g）～图149.1（i））都有了显著的提升。与液滴在这些结构化表面上的动态行为更为相关的实际应用包括：在飞机、病原体传播、环境气溶胶分散、血液模式分析、农药沉积、电子喷雾冷却，以及无处不在的溅射场景中广泛遇到的跌落冲击和冷凝传热系统。因此，在这些应用中对瞬态多尺度过程的理解，在科学和技术上都是非常重要的。

图149.1　具有疏水性结构和功能的代表性天然系统(www.xing528.com)

根据表面粗糙度、浸润性、基材温度以及环境条件，滴落干燥固体表面的液滴表现出各种不同的结果。液体与其下表面之间的相互作用是一个瞬态的、动态的过程，且具有多个时间和空间的尺度。严格来说，是局域的液固相互作用引起的集体行为。这里，我们没有涉及液体和固体之间的局部流体动力学和非流体动力学相互作用，而是强调液滴整体降落的动力学。韦伯数We=ρv2D0/γ（其中，ρ为流体密度（kg/m3），v为特征流速（m/s），D0为特征长度（m），γ为流体的表面张力系数（N/m）），它测量了流体惯性与其表面张力相比的相对重要性，以及雷诺数Re=ρvD0/μ（其中，μ为黏性系数），它测量了流体惯性与其黏度相比的相对重要性。

另一方面，聚集诱导的跳跃现象由于其许多实际应用，例如传热、防龋和能量收集，已引起越来越多的关注。在许多天然生物系统中也观察到了这种现象，例如球孢子放电过程、自清洁蝉翼。跌落跳跃是自下而上的过程，通常发生在相变过程中，如蒸汽冷凝。与通常尺寸为毫米量级的液滴从表面上方落在表面上的液滴撞击过程不同，冷凝液滴从基板的底部填隙生长，具有约10 nm的临界核。因此，在冷凝过程中可以形成Wenzel和Cassie状态的液滴，具有优异液滴迁移率的SHS不一定能保持良好的液滴跳跃。