液滴快速弹跳：宏纹理结构分析与优化

伯特等人最近报道，通过在SHS上添加宏观脊可以减少接触时间。如图149.2（b）所示，当撞击脊部的尺寸远小于液滴尺寸时，由于液滴的非对称铺展和收缩过程，导致液滴被分裂成两个子液滴各自弹起，接触时间缩短约37％。Gauthier和Chen等人进一步证明，通过设计具有不同图案（如Y形或十字形）的宏观纹理表面，可以将液滴分裂成不同的子单元，并使表面的接触时间缩短（如图149.2（c）所示）。最近，刘等人制作了曲率与液滴半径相当的弯曲（凸和/或凹面）表面，如图149.2（d）所示，下降扩散在方位角方向上比在轴向上更大，并且沿着表面留下细长的形状方位角方向。由于不对称动量和质量分布，在下落边缘周围有液体流动，接触时间减少了约40％。

图149.2　减少接触时间的策略

（a）SHS的接触时间，通过设计新结构减少接触时间的突破；（b）时间流逝图像显示水滴宏观纹理表面的接触时间减少；（c）在具有Y形图案的超疏水宏观纹理上弹跳的水滴的俯视图像，撞击期间的跌落使得6个叶片迅速融合在3个对称的子单元中；（d）快照显示具有表面曲率的石莲花叶片对液滴下落的影响；（e）快照显示在宽间隔的锥形表面上有液滴撞击，液滴在3.4 ms处以薄饼形状从表面反弹(www.xing528.com)

我们展示了如何用纳米纹理修饰的亚毫米级柱图案化的SHS产生反直觉的弹跳状态：液滴撞击后表面呈扁平的薄饼状而不缩回。与传统的完全回弹相比，这使得接触时间减少了80％（如图149.2（e）所示）。我们证明了“薄饼弹跳”是由于SHS的凸起，水滴撞击表面时会部分陷入凸起陈列中产生毛细管状的凹陷，这些凹陷在表面张力作用下回弹产生的能量足以提升液滴。此外，液滴在表面上的横向扩散和垂直运动的时间尺度必须相当。特别地，通过设计具有作为谐波弹簧的锥形微/纳米纹理的表面，时间尺度变得独立于冲击速度，允许在宽范围的冲击速度下发生薄饼弹跳和快速下落分离。这项工作挑战了一个世纪前建立的跌落冲击过程的传统观点。此外，液滴撞击锥形柱时，凹陷的直径会不断增加，从而与垂直方向上的深度成线性关系，向上的毛细力随着穿透深度而增加，这时可将毛细力建模为谐波弹簧。锥形柱形态可以强烈地影响薄饼弹跳发生的稳定性，锥形柱阵列的顶角越大，薄饼弹跳就可以发生在越小的临界韦伯数和更宽的韦伯数范围内。有趣的是，在高度倾斜的撞击条件下，传统的SHS也会出现薄饼弹跳。

使用毫米级锥形柱阵列设计的表面可以显著减少接触时间，这种阵列允许撞击液滴在横向扩散结束时以薄饼形状离开（薄饼弹跳）。尽管取得了令人兴奋的进展，但合理控制接触时间并定量预测薄饼弹跳发生的关键韦伯数仍然是困难的。我们通过实验证明了液滴弹跳是由于液滴的非对称铺展和收缩过程，导致液滴被分裂成两个子液滴各自弹起，由表面形态进行复杂的调节。在相同的中心到中心的柱间距下，具有较大顶角的表面可以产生更稳定的薄饼弹跳，其特征在于显著减少的接触时间、更小的临界韦伯数和更宽的韦伯数范围。我们还开发了简谐谐波弹簧模型，从理论上揭示了薄饼弹跳与撞击下降相关的时间尺度的依赖性，以及对表面形态的关键韦伯数。这项工作中得到的结果将使我们能够合理地设计各种表面以用于许多实际应用。