香港城大朱平安、香港理工王鉆開《Nat. Commun.》：液滴彈跳時間最小極限？
本文報道了一個超快液滴彈跳現(xiàn)象，通過在液滴中加入固體顆粒來實現(xiàn)液滴撞擊表面時的極快反彈，接觸時間可低至0.05毫秒，創(chuàng)造新的最低紀錄。這種顯著的接觸時間減少現(xiàn)象普遍適用于各種系統(tǒng)，包括水滴和油滴、彈性和剛性顆粒、超疏液和超親液表面，并且在各種撞擊速度下都有效。
液滴與固體表面的接觸時間對于自清潔、防結(jié)冰、防霧、傳熱、液滴操控和能量收集至關(guān)重要。對于以最小能量耗散撞擊超疏水表面的液滴，慣性和毛細作用之間的相互耦合決定了接觸時間，即慣性-毛細作用時間尺度。先前的各種研究主要依賴于固體表面設(shè)計調(diào)節(jié)液滴彈跳動力學(xué)來降低接觸時間。但這些方法仍受限于慣性-毛細作用框架，接觸時間仍然主要由毛細作用決定，因此限制在幾毫秒以上。打破這一理論限制以進一步減少接觸時間是一個極有挑戰(zhàn)性的問題。近日，香港城市大學(xué)機械工程系朱平安/香港理工大學(xué)機械工程系王鉆開教授合作報道了一種新型減小液滴與固體表面接觸時間的方法，通過在液滴內(nèi)封裝一個固體顆粒，使得液滴的接觸時間降低至少兩個數(shù)量級。這種固-液復(fù)合液滴作為一種最小化接觸時間的普適而有效的策略，具有重要的前景。相關(guān)工作以 Ultrafast bounce of particle-laden droplets 為標題發(fā)表在Nature Communications上。
普遍存在的超快彈跳現(xiàn)象
當液滴包裹顆粒時(Droplets encapsulating a particle, DEP)產(chǎn)生一種具有殼核結(jié)構(gòu)的復(fù)合液滴，這種體系在各種實際過程中都很普遍。圖1展示了DEP，液滴和固體顆粒的彈跳行為。和液滴的彈跳明顯不同(10.8毫秒)，DEP在0.3毫秒的短時間內(nèi)從表面迅速脫離，表現(xiàn)出類似于固體顆粒的超快彈跳行為，這實現(xiàn)了前所未有的97%的接觸時間減少。值得注意的是，DEP的超快彈跳行為在不同的系統(tǒng)中是普遍存在的，可以發(fā)生在不同液體、不同顆粒和各種表面上。
圖1. 不同系統(tǒng)的彈跳行為對比
DEP的接觸時間隨撞擊速度(V)的增加而明顯變化，呈現(xiàn)出三種不同的變化區(qū)間(圖 1d)。DEP的接觸時間對撞擊速度的獨特依賴性與液滴形成了鮮明的對比，通常液滴的接觸時間與速度無關(guān)。此外，在所有三種狀態(tài)下，DEP的接觸時間均明顯短于液滴(約10毫秒)，這表明液滴中包含的顆粒會從根本上改變彈跳動力學(xué)。
Hertz區(qū)間
為了揭示DEP在區(qū)間I中表現(xiàn)出的超快彈跳的復(fù)雜性，通過實驗詳細研究其在撞擊過程中的形態(tài)變化(圖 2a)。在鋪展階段，顆粒和液滴外殼經(jīng)歷連貫變形，DEP系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)的完整性。然而，在回縮階段，出現(xiàn)了不同步現(xiàn)象，其標志是DEP底部的顆粒和液體外殼分離。由于顆粒的反彈速度比液滴外殼快得多，當顆粒在回縮過程中開始向上運動時，大部分液殼無法與底面接觸，繼續(xù)保持向下的速度，這種速度不匹配將顆粒推到液殼的上部。因此，DEP的整體彈跳行為受到顆粒局部動力學(xué)的決定性影響。與液滴所表現(xiàn)出的振蕩形狀截然不同，DEP的最大變形顯著減小，這極大地減少了鋪展和回縮時間，最終導(dǎo)致接觸時間減少。
圖2. Hertz區(qū)域內(nèi)DEP的彈跳動力學(xué)
此外，各種參數(shù)對DEP的接觸時間的影響也進行了系統(tǒng)的探究。有趣的是，一旦DEP采用類固體彈跳行為，接觸時間幾乎與粒子體積分數(shù)無關(guān)，但會受到顆粒的楊氏模量和沖擊速度等因素的影響。在此區(qū)間，DEP的接觸時間受Hertz理論主導(dǎo)。
圖3. DEP在Hertz區(qū)域內(nèi)的接觸時間
部分回縮區(qū)間
隨著撞擊速度增大并超過第一個臨界值時，液殼會接觸固體表面，經(jīng)歷鋪展和退縮的過程(圖4)，這導(dǎo)致了此區(qū)間內(nèi)DEP接觸時間的增加，但內(nèi)部的顆粒仍繼續(xù)影響整體彈跳動力學(xué)。撞擊后顆粒的變形和反彈在液殼的鋪展階段內(nèi)迅速發(fā)生，顆粒起飛后恢復(fù)其球形形狀，迫使液殼停止鋪展并與顆粒一起向上運動。這種不同步運動導(dǎo)致液殼形狀被拉長，并在DEP內(nèi)形成空穴。DEP起飛時，平坦的底部表面標志著非零接觸半徑，即回縮過程不完整。顆粒的快速彈跳減小了液殼的最大鋪展直徑，并導(dǎo)致液殼不完全回縮，從而減小DEP的接觸時間。
圖4. DEP的部分回縮
完全回縮區(qū)間
當撞擊速度增加到超過第二個臨界值時，DEP的接觸時間逐漸接近恒定值。此時，起飛之時接觸半徑降低至零，液殼的回縮不再受顆粒的影響，DEP的彈跳動力學(xué)轉(zhuǎn)變成完全回縮。相比于顆粒動力學(xué)，液殼的流體動力效應(yīng)占主導(dǎo)地位。在完全回縮區(qū)間中，DEP的接觸時間僅由液殼的質(zhì)量確定，因此歸一化的接觸時間是體積分數(shù)的函數(shù)(圖5)。
圖5. DEP的完全回縮
冰-水系統(tǒng)
調(diào)控DEP的接觸時間對于涉及各種情況下的固-液復(fù)合體系都是有益的，一個常見的體系是由冰芯和水殼組成的結(jié)冰水滴。在現(xiàn)實環(huán)境中，水冰混合物(如雨夾雪)會附著在飛機機翼、風力渦輪機葉片和電力線等表面，對安全性和性能構(gòu)成挑戰(zhàn)。作為概念驗證演示，實驗結(jié)果表明了結(jié)冰水滴在撞擊疏水表面后會迅速脫離，具有固體主導(dǎo)的彈跳行為(圖6)。隨著體積分數(shù)的變化，在結(jié)冰水滴彈跳過程中先后觀察到液體回縮和Hertz兩種狀態(tài)，接觸時間隨著冰核體積分數(shù)的增加而減少。這對在緩解與結(jié)冰相關(guān)的情況中具有重要意義。
圖6. 結(jié)冰水滴的接觸時間
這項工作以設(shè)計DEP為例，證明了通過對液滴非均質(zhì)性的操縱策略可以顯著減少接觸時間；诮佑|時間的變化趨勢描述了三種不同的彈跳區(qū)域：Hertz區(qū)域、部分回縮區(qū)域和完全回縮區(qū)域。通過調(diào)節(jié)顆粒體積分數(shù)和碰撞韋伯數(shù)，可以有效地轉(zhuǎn)換和控制不同的彈跳狀態(tài)和接觸時間。值得注意的是，在三種區(qū)間中的任何一種中，DEP都顯示出相當短的接觸時間。從他們的理論分析可知，通過提高沖擊速度和顆粒的楊氏模量或通過減小DEP的半徑和有效密度，可以進一步減小接觸時間。這一發(fā)現(xiàn)作為一種強大而有效的策略，可以在各種應(yīng)用中最大限度地減小液滴和表面的接觸。鑒于固-液復(fù)合系統(tǒng)在自然和工業(yè)過程中的普遍性，如流化床、結(jié)冰液滴、熔融顆粒、未凝固的混凝土、3D打印和藥物輸送等，這項研究將會有重要的作用和深遠的意義。
論文第一作者為香港城市大學(xué)機械工程系博士生李言紅，通訊作者為香港城市大學(xué)機械工程系助理教授朱平安和香港理工大學(xué)機械工程系講座教授王鉆開。
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論文信息
Li, Y., Zhao, W., Zhou, Y., Tang, S., Wang, S., Zheng, Y., Wang, Z & Zhu, P. Ultrafast bounce of particle-laden droplets. Nature Communications 15, 9943 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54288-w
