南京理工大学李强教授/陈雪梅教授课题组、香港城市大学王钻开教授课题组《Adv. Sci.》：磁控静止液滴饼状弹跳

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在防结冰、液滴冷凝、表面自清洁等领域，如何使液滴快速从表面脱离具有重要的科学意义。液滴从表面脱离分为撞击液滴从表面反弹与静止液滴从表面脱离。一方面，已有研究表明，当液滴撞击超疏水微结构表面后，液滴呈饼状反弹(液滴接触时间仅为3.4 ms)。但是这种液滴饼状反弹行为需要严格调控表面微结构尺度以及液滴撞击速度。另一方面，使静止液滴从表面快速脱离仍然面临着巨大的挑战。近年来，发展动态响应结构调控液滴的定向运动成为研究热点。在温度场、电场、磁场、压力场等外场刺激下，通过构建能量梯度，动态响应结构表面可驱动静止液滴发生定向输运。然而，目前已有的研究工作仅能使静止液滴发生水平移动。

基于此，近日，南京理工大学李强教授/陈雪梅教授课题组和香港城市大学王钻开教授课题组合作，报道了基于超疏水磁响应微肋结构上的静止液滴饼状弹跳现象。作者设计了一种超疏水磁响应微肋阵列，利用磁响应微肋在磁场作用下的快速变形，实现了静止液滴的饼状弹跳。与其他液滴弹跳行为对比，本工作表现出更短的液滴与表面相互作用时间(~2.9 ms)和高能量转换效率(~ 95%)。这项工作为调控液滴运动提供了新思路。

结合激光烧蚀与软光刻技术，作者设计并制备了一种超疏水磁响应微肋，该微肋的高宽比β ~14。另外设计对照组磁响应微肋结构，其高宽比β ~5、8和11。磁场作用下(磁场强度~285mT)，磁响应微肋的最大弯曲角为125°。模拟结果表明，微肋的弯曲与其受到的磁力和弹力有关。

 图1 超疏水磁响应微肋结构的制备与表征。

通过改变磁响应微肋结构表面底部磁铁的位置及运动方式，可发生多种液滴弹跳行为。当静止液滴置于微肋最右端时，移动磁铁，液滴发生饼状弹跳；同时，液滴撞击表面后，可发生倾斜反弹、垂直反弹、饼状反弹。

图2 超疏水磁响应微肋结构上液滴的动态行为。

静止液滴饼状弹跳时，液滴与表面相互作用的时间与磁铁移动速度成反比。当磁铁速度从10 mm/s增大至150 mm/s时，液滴与表面相互作用的时间从7.5 ms减小至2.9 ms。此外，静止液滴饼状弹跳的能量转换效率为95%，远大于液滴饼状反弹、液滴倾斜反弹、冷凝液滴合并弹跳等的能量转换效率。

图3 静止液滴饼状弹跳的特征。

通过实验研究与模拟验证建立了静止液滴饼状弹跳的理论模型，基于表面结构参数与磁场条件分析了静止液滴出现饼状弹跳现象的临界条件。

 图4 静止液滴饼状弹跳的设计相图。

最后，作者讨论了冷液滴在超疏水磁响应微肋上的快速脱离行为，为研究防结冰提供了新方法。

 图5 冷液滴在超疏水磁响应微肋结构上的脱离行为。

以上研究成果以“Pancake jumping of sessile droplets” 为题，发表在《Advanced Science》上 (DOI: 10.1002/advs.202103834)。文章第一作者是南京理工大学博士生钱晨露，通讯作者为南京理工大学李强教授、陈雪梅教授，以及香港城市大学王钻开教授。该工作得到国家自然科学基金 (51706100)、国家重点研发项目 (2018YFA0209500)、国家MCF能源研发计划 (2018YFE0312300)、中央高校基本科研业务费专项资金资助 (30918011205)、江苏省自然科学基金 (BK20180477)的支持。

原文链接：

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

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