超疏水表面的餅狀液滴彈跳的現象、機理以及套用

《超疏水表面的餅狀液滴彈跳的現象、機理以及套用》是依託香港城市大學深圳研究院，由王鑽開擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超疏水表面的餅狀液滴彈跳的現象、機理以及套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王鑽開
• 依託單位：香港城市大學深圳研究院

項目摘要

開發能夠讓液滴快速脫離固體表面的超疏水材料，具有重要的科學意義和工程套用價值。在常規的超疏水材料的表面上，液滴能夠完全彈性彈起，並且液滴與固體表面的接觸作用時間遵守一個瑞利常數。最近我們在一種特殊的微納米結構上發現了一種反常的餅狀液滴彈跳現象，也就是液滴能夠在達到最大橫向鋪展時縱向彈起，避免了經歷常規彈性彈跳中的回縮過程，從而打破了液滴與襯底接觸時間的理論極限（我們初步的實驗顯示可將理論接觸時間縮短80%）。本項目中，我們將系統研究液滴與各種超疏水表面作用的動力學過程，研究結構參數對餅狀彈跳的影響，從時間尺度和能量角度去解釋這一物理現象的動力學機制。新型的餅狀液滴彈跳的發現以及對其進行深入的研究不僅會加強我們對液體在微/納米結構表面上的複雜動力學行為的理解，而且它大大縮短固液接觸時間的優點將為開發新型防結冰材料提供新的思路。

結題摘要

仿生功能表面是指通過對自然生物表面的模擬，製備的人工多尺度微納複合結構表面，是一個機械、材料、力學、化學和生物等多學科交叉的研究方向，已成為仿生製造領域的國際前沿和研究熱點。面向航空航天、能源裝備和環境保護等領域，借鑑大自然的啟迪，開發套用於界面減阻、自清潔/防污、強化傳熱及抗結凍的新型超疏水表面成為重要發展方向。這些套用都涉及液滴在表面的動態行為，尤其是如何加快液體從固體表面的脫離。然而液體在超疏水表面的接觸時間存在物理極限，如何突破常規的設計理論和製造方法，打破接觸時間極限，建立新的理論和材料體系具有重要的科學和工程意義。 本項目以仿生超疏水表面為研究對象，尤其在表面液滴微觀動態行為等基礎研究方面取得了一些原創性和突破性的科研成果，設計與製備出新型微納結構表面，在抗結冰/除霜、強化傳熱等方面具有重要套用前景。在自然科學基金的大力支持下，我們的科研在過去的幾年接連取得了一些突破性的成果。我們創造性發展、建立了基於亞毫米級幾何尺寸的新型超浸潤材料體系，打破常規超浸潤材料固液接觸時間的物理極限。開發具有彈簧效應的超浸潤結構，在世界上首次發現液滴在超疏水表面的餅狀彈跳現象，成功將液滴在常規超疏水表面（荷葉效應）接觸時間的物理理論極限縮短了80%，建立理論模型並闡述其物理機制。基於水蓮花表面凸凹結構的生物啟發，設計與製造出凹凸性結構，揭示了結構弧度對液滴微觀動量傳遞的影響；首次發現基於豬籠草的油膜調控超疏水特性的機制，提出基於薄膜潤滑理論的能量耗散模型，建立展現超疏水特性的邊界條件準則，極大地提高了液體在液體表面滑移速度。基於仿生大自然中蘑菇孢頭的釋放現象，我們開發了一種具有結構梯度的新鮮結構，能讓液滴在高溫下定向運動，避免不希望的膜狀沸騰區域。