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  在防結冰、液滴冷凝、表面自清潔等領域，如何使液滴快速從表面脫離具有重要的科學意義。液滴從表面脫離分為撞擊液滴從表面反彈與靜止液滴從表面脫離。一方面，已有研究表明，當液滴撞擊超疏水微結構表面后，液滴呈餅狀反彈(液滴接觸時間僅為3.4 ms)。但是這種液滴餅狀反彈行為需要嚴格調控表面微結構尺度以及液滴撞擊速度。另一方面，使靜止液滴從表面快速脫離仍然面臨著巨大的挑戰。近年來，發展動態響應結構調控液滴的定向運動成為研究熱點。在溫度場、電場、磁場、壓力場等外場刺激下，通過構建能量梯度，動態響應結構表面可驅動靜止液滴發生定向輸運。然而，目前已有的研究工作僅能使靜止液滴發生水平移動。

  基于此，近日，南京理工大學李強教授/陳雪梅教授課題組和香港城市大學王鉆開教授課題組合作，報道了基于超疏水磁響應微肋結構上的靜止液滴餅狀彈跳現象。作者設計了一種超疏水磁響應微肋陣列，利用磁響應微肋在磁場作用下的快速變形，實現了靜止液滴的餅狀彈跳。與其他液滴彈跳行為對比，本工作表現出更短的液滴與表面相互作用時間(~2.9 ms)和高能量轉換效率(~ 95%)。這項工作為調控液滴運動提供了新思路。

  結合激光燒蝕與軟光刻技術，作者設計并制備了一種超疏水磁響應微肋，該微肋的高寬比β ~14。另外設計對照組磁響應微肋結構，其高寬比β ~5、8和11。磁場作用下(磁場強度~285mT)，磁響應微肋的最大彎曲角為125°。模擬結果表明，微肋的彎曲與其受到的磁力和彈力有關。

 圖1 超疏水磁響應微肋結構的制備與表征。

  通過改變磁響應微肋結構表面底部磁鐵的位置及運動方式，可發生多種液滴彈跳行為。當靜止液滴置于微肋最右端時，移動磁鐵，液滴發生餅狀彈跳；同時，液滴撞擊表面后，可發生傾斜反彈、垂直反彈、餅狀反彈。

圖2 超疏水磁響應微肋結構上液滴的動態行為。

  靜止液滴餅狀彈跳時，液滴與表面相互作用的時間與磁鐵移動速度成反比。當磁鐵速度從10 mm/s增大至150 mm/s時，液滴與表面相互作用的時間從7.5 ms減小至2.9 ms。此外，靜止液滴餅狀彈跳的能量轉換效率為95%，遠大于液滴餅狀反彈、液滴傾斜反彈、冷凝液滴合并彈跳等的能量轉換效率。

圖3 靜止液滴餅狀彈跳的特征。

  通過實驗研究與模擬驗證建立了靜止液滴餅狀彈跳的理論模型，基于表面結構參數與磁場條件分析了靜止液滴出現餅狀彈跳現象的臨界條件。

 圖4 靜止液滴餅狀彈跳的設計相圖。

  最后，作者討論了冷液滴在超疏水磁響應微肋上的快速脫離行為，為研究防結冰提供了新方法。

 圖5 冷液滴在超疏水磁響應微肋結構上的脫離行為。

  以上研究成果以“Pancake jumping of sessile droplets” 為題，發表在《Advanced Science》上 (DOI: 10.1002/advs.202103834)。文章第一作者是南京理工大學博士生錢晨露，通訊作者為南京理工大學李強教授、陳雪梅教授，以及香港城市大學王鉆開教授。該工作得到國家自然科學基金 (51706100)、國家重點研發項目 (2018YFA0209500)、國家MCF能源研發計劃 (2018YFE0312300)、中央高校基本科研業務費專項資金資助 (30918011205)、江蘇省自然科學基金 (BK20180477)的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103834