微结构表面液固脱离的能量耗散之谜
近日，国家重点实验室成员邹俊教授课题组的论文“Water drop bouncing off vertically vibrating textured surfaces”成功发表在国际流体顶级期刊JFM（Journal of Fluid Mechanics）。合作作者Stéphane Dorbolo是受重点实验室2018年开放基金资助的研究人员。国家重点实验室的开放平台将两位志趣相投的研究人员联系到一起，开展国际合作和交叉学科研究，实现互利共赢。
自然界中植物表面（如荷叶）的超疏水性使其具有自清洁和防腐蚀等功能，而这种性能在工程实践中具有重要的应用前景，如机翼防结冰、衣物自清洁和建筑物表面防腐等。因此，人们对人工超疏水材料进行了大量研究，并借助光刻技术实现了超疏水微结构表面的制备。液滴在超疏水表面的弹跳时间是人们关注的重点，通过缩短接触时间可以减小结冰或腐蚀的可能。然而，研究表明，液滴弹离微结构表面时的能量耗散导致两者接触时间明显延长，且弹离速度下降，使微结构表面结冰或腐蚀的可能性增大。本文通过研究液滴弹离微结构表面的过程，揭示液固接触面脱离时的能量耗散方式，为优化微结构设计提供理论依据。
实验研究了不同材料、不同形状和不同结构参数对液滴弹离微结构表面的临界条件的影响，其中，a是微结构外切圆直径，b是微结构外切圆间距，hp是微结构高度。微结构加工使用的材料是PDMS和硅板表面疏水涂层。
将微结构平板固定到振动台，固定振动频率并逐渐增大振幅，液滴呈现三种运动状态：I 液固接触线维持不变，液滴自身变形；II 液固接触线往复运动且运动幅值随振动台振幅增大而增大；III 液滴弹离微结构表面。
实验结果表明，液固接触面脱离时形成的液桥（capillary bridge）是主要的能量耗散形式。首先，液面沿微结构表面收缩形成液桥，储存表面张力能；随后，液桥达到临界长度时发生断裂，部分表面能储存在微结构突起表面的残留液滴中并经多次振动后完全耗散，另一部分表面能存储在液滴表面的毛细波（capillary wave）中，在传递过程中发生耗散。从而，利用实验手段揭示了液滴脱离微结构表面时的能量耗散方式，印证了前人的理论猜想。