中科院化学所宋延林研究员课题组《Nat. Commun.》：利用对称性破缺抑制卫星液滴取得突破

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当雨滴撞击到不同的固体表面时，会发生形态各异的铺展和回缩行为。精准的控制液滴的动态行为在喷墨打印、定向输运、自组装与能量收集等领域具有重要的意义。液滴撞击到超疏水表面的回弹行为已经被人们关注了数十年，这一过程中液滴一般会破裂产生卫星液滴。通过表面微结构和浸润性虽可以调控液滴的铺展和回缩行为，但是在此过程中通常伴随着卫星液滴的产生，这些卫星液滴是由失稳导致主液滴破裂产生的。卫星液滴的产生对于喷墨打印、自组装、定向输运与能量收集等应用都具有较大的影响。尽管目前液滴操控已经取得重要的进展，但是如何精确控制卫星液滴仍然是一个挑战。

在液滴撞击到固体表面的过程中，最常见的失稳现象之一是液滴回缩阶段的Plateau-Rayleigh失稳：液滴收缩过程中边缘的液体发生向内运动并产生向上的液柱，液柱将过度拉长，最终在轻微扰动下分裂成卫星液滴。由于液滴的快速收缩和液滴内部的速度梯度，使得液滴在固体表面回弹时的Plateau-Rayleigh不稳定性难以控制。近日，中国科学院化学研究所的宋延林研究员团队研究发现:通过在固体表面构筑非对称浸润性图案来打破液滴回缩过程的对称性，能够抑制Plateau-Rayleigh不稳定性，在抑制液滴拉长的同时使液滴回弹过程中不产生卫星液滴。基于这一结果，水滴能量利用率得到了显著提高，水力发电效率可提高36.5%。这一成果发表在最新一期的Nature Communications （Nat. Commun., 2021, 12, 6899）上。

通过打破浸润性的对称性来抑制Plateau-Rayleigh失稳

作者在超疏水表面上构筑了具有非对称粘附力的亲水图案，以直线型图案（LPW表面）和半圆形图案（APW表面）为代表,并对比研究了超疏水表面（SHB表面）与这两种表面上的液滴的回弹行为差异（图1a-c）。研究发现，液滴在SHB表面上有88%的概率会产生3个及以上的卫星液滴；在LPW表面上有82%的概率会产生1个卫星液滴；而在APW表面上则有90%的概率不产生卫星液滴。同时,他们发现液滴在脱离表面时的拉伸程度和液滴的卫星数目正相关，而与主液滴的动能呈负相关关系。这表明液滴的失稳程度（由拉伸程度和卫星液滴的数目来表征）可以通过非对称图案化的浸润性基底来调控。

图1.具有不同浸润性的基材上的液滴的回缩行为

液滴回缩过程中内部的不对称流动

为了进一步探究非对称图案化浸润性基底抑制液滴Plateau-Rayleigh失稳的机理，作者选取LPW表面作为非对称图案化浸润性基底的代表，将之与SHB表面对比，探究了液滴内部的流动情况（图2）。结果发现: 在LPW表面上，由于非对称浸润性图案提供的不对称粘附力的存在，液滴在水平方向累积的侧向速度大于SHB表面上的液滴，同时竖直方向上的纵向速度梯度要小于SHB表面，因而减小了其拉伸程度（失稳程度）。

图2. 不对称/对称液滴回缩的动力学

作者定义了净流速的概念，以定量探究不对称图案对液滴失稳程度的影响。净流速即流过液滴中心截面（图3a中的虚线截面）的液体流速。最大净流速能够很好地描述液滴的非对称回缩能力，并与液滴的失稳程度吻合（图3c-d）。

图3. 液体非对称流动对卫星液滴、伸长程度和主液滴动能的影响

提高水电收集效率

图4. 提高水电收集效率

超疏水表面通常被认为是能量利用率最高效的表面。利用非对称图案化浸润性基底与液滴的相互作用可以进一步提高液滴能量的利用率。利用APW表面的压电收集系统的输出功率要比SHB表面的收集系统高36.5%（图4c）。该工作为提高液滴能量的收集与利用提供了新的思路。

该工作的第一完成单位为中国科学院化学研究所，文章的第一作者是化学所博士生赵志鹏，通讯作者为化学所李会增博士和宋延林研究员，以及清华大学冯西桥教授。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27237-0

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