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  液滴彈跳是一種關鍵現象，廣泛應用于自清潔、抗冰、熱傳遞和能量收集等領域。以往的研究主要集中在通過表面工程改變彈跳行為上，而對液滴復雜性的影響了解較少。近日，香港城市大學機械工程系朱平安課題組和物理系柴愚課題組合作報道了高溫液滴（由正十六烷、大豆油和硅油組成）在冷固體表面上的彈跳增強，涵蓋了燃燒和非燃燒狀態。其研究闡明了馬朗戈尼效應在液滴自然冷卻過程中所起的關鍵作用，該效應使氣膜增厚，從而增強彈跳。這與室溫液滴彈跳過程中持續的氣膜壓縮、萊頓弗羅斯特液滴懸浮中外部加熱對氣膜的增強，或熱水滴因蒸汽凝結而導致的氣膜崩潰形成鮮明對比。液滴的彈跳增強為進一步應用開辟了新途徑，例如，通過實現燃料液滴的持續燃燒來提高效率，并有助于開發能夠抵御燃燒液滴的阻燃涂層。相關工作以Self-lubricated bouncing of hot droplets為標題發表在Newton創刊號上。

燃燒液滴的彈跳增強

圖1 燃燒液滴的彈跳增強

影響液滴彈跳的因素

圖2 高溫液滴彈跳增強的臨界條件

氣膜的演變

圖3 撞擊過程中液滴的氣膜演變

馬朗戈尼效應導致的自增厚氣膜

圖4 氣膜增厚機制

應用前景

圖表5 燃燒液滴反彈的應用

  本研究表明，高溫液滴在多種固體表面上表現出增強的彈跳現象，這是一個普遍存在的現象，主要依賴于液滴的狀態，而與表面特性無關。研究發現，燃燒液滴的火焰對彈跳動力學影響微乎其微，彈跳增強主要歸因于液滴的高溫。自發生成的熱毛細流在加厚潤滑氣膜方面發揮了關鍵作用，從而防止液滴與表面直接接觸。此外，彈跳增強現象適用于低揮發性熱液體，如n-十六烷、硅油和大豆油，而揮發性熱水則因蒸汽冷凝引起的潤濕效應而表現出抑制的彈跳。研究預計將激勵進一步探索液滴的溫度分布及其復雜性對彈跳動力學的影響，從而擴展液體排斥涂層的應用。

  論文第一作者為香港城市大學機械工程系博士后研究員劉玉芳博士和博士生鄭雨桐，通訊作者為香港城市大學機械工程系助理教授朱平安和香港城市大學物理系助理教授柴愚。

  論文信息

  Liu, Y., Zheng, Y., Zhou, Y., Zhao, W., Li, Y., Tang, S., Wang, C., Wang, S., Chai, Y., Zhu, P. (2025). Self-lubricated bouncing of hot droplets. Newton, 1(1), 100014. 

  https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100014