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Nature:水滴是怎么在疏水表面玩蹦床的?

发布人:张响 信息来源:力学与工程科学学院 发布时间: 2015年11月12日 阅读次数:

    说到超疏水表面,很多人可能已经感觉不陌生了。在荷叶表面,圆圆的水滴滚落,不会润湿表面,而如果是水滴从高处滴落到超疏水表面上,它们甚至还能弹跳起来。

从高处下落的水滴在超疏水表面上弹跳。

    但是,如果是原本静止的水滴,有没有办法能让它自己“蹦起来”呢?最近,瑞士苏黎世理工大学布里卡克斯(Poulikakos)教授的课题组就让疏水表面上的水滴自发地弹跳了起来,这一发现于11月4日发表在了《自然》(Nature)期刊上[1]。

 

从疏水表面上自己跳起来的水滴。

    水滴究竟是怎么自己蹦起来的?答案其实就是降低周围环境的气压。研究者们先让小水滴静止在超疏水表面上,然后降低周围的气压。当气压降低到一定程度之后,水滴自己就会蹦跳起来,并且还像蹦床运动员一样能够越跳越高。

 

水滴为什么会蹦高?

    要解释这背后的原因,还要从超疏水表面的微观结构开始说起。在自然界,最有名的疏水表面是荷叶,它的表面有细小的微观粗糙结构,还包裹着不亲水的表皮蜡,这些结构托起水滴,减小了固体和液体的接触面积,使水滴处于“半悬空”的状态。

荷叶表面粗糙的微观结构。

    在这里,研究者们所使用的超疏水表面也有类似的结构,当水滴“坐”在上面时,其实是刷子状的细微突起和空隙中的空气共同托起了它。

超疏水表面的柯西模型[2]示意图。

    在密闭环境下,当环境气压降低并保证较低的环境湿度时,水分子的扩散就会加剧,从而加速液体蒸发。当然,蒸发的方向是四面八方的,水滴的下方也不例外。而当水滴“坐”在超疏水表面上时,水滴在下部的蒸发就会受到阻碍。超疏水表面的空隙是开放的,但即使如此,空气在其中依然不能那么顺畅的流动。

    这样一来,随着水滴的蒸发,在水滴下方水蒸气就会聚集起来,产生一个过压强(overpressure)。这个额外的压强会给水滴一个向上的力,当压力超过了重力加上水与基底的黏附力时,水滴会被顶得跳起来啦。当然,在设计超疏水基底的时候要保证结构足够矮,足够拥挤,才能使气体流通不顺畅。

    水滴被弹起之后获得了动能,当上升到一定高度之后自然会下落碰撞超疏水表面。超疏水表面对水的黏附力极低,因此水滴在碰撞超疏水表面时不会因黏附而损失很多能量,并且会在表面弹跳[4]。

积攒在凸起之间的水蒸气让水滴跳了起来。图片来自:参考资料3

    此外,碰撞时基底结构中的水蒸气又会助水滴“一臂之力”,从而水滴在每一次碰撞时都会获得一个加速度,进而越蹦越高,就像一个蹦床运动员一样。

 

和蹦床上的人一样,水滴也可以越跳越高。原视频来自T M Schutzius et al.

    水滴的跳动还可以带动悬臂进行持续的振动:

原视频来自T M Schutzius et al.

    这个现象看起来不同寻常,不过它和日常生活中也能看到的另一个现象——莱顿弗罗斯特效应——也有相似之处。记得小时候,东北老家还在烧炕的年代,经常会看到水滴到炉子上,发出呲呲的声音。水滴在到处翻滚而不会润湿炉子,最终蒸发殆尽,这也是高温下水蒸气把水滴托起的结果。

莱顿弗罗斯特效应,在温度远超沸点的灼热表面上,蒸汽托起水滴并推动它移动。图片来源:itsokaytobesmart.com

 

 

“自动除冰”

    除了蹦跳的水滴之外,研究者还向人们展示了更加酷炫的“冰滴飞起”现象。在同样的低压条件下,将过冷水置于超疏水表面上,随着时间推移,过冷水结冰,而“结冰+低压”同样可以导致一个加速蒸发的过程,从而推动冰滴,使它从表面上腾空而起。

原视频来自T M Schutzius et al.

    对于需要预防结冰的表面,这种现象看起来是个好消息。不过,德国马普所的福尔默(Vollmer)教授指出,尽管这一系列工作很酷炫,但如何应用它还是个难题。尤其在户外的开放环境下,依靠降低气压来防止结冰很难操作[3]。

    总之,这还是一项非常有趣的发现,它也让我们对超疏水表面上水滴的性质有了新的认识。

 

    本文作者是英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥,他所在的实验室也在进行超疏水材料方面的研究。陆遥的团队曾研制出一种耐磨的超疏水表面,研究结果发表在《科学》杂志上。详情请戳左下方的“阅读原文”。

参考资料:

[1]Thomas M. Schutzius, Stefan Jung, Tanmoy Maitra, Gustav Graeber, Moritz Köhme & [2]Dimos Poulikakos, Nature 527, 82–85 (2015).
[3]A. Cassie, S. Baxter, Trans.
Faraday Soc. 40, 546–551 (1944).
[4]Doris Vollmer & Hans-Jürgen Butt,
Nature 527, 41–42 (2015).
[5]Liu, Y.
et al. Nature Phys. 10, 515–519 (2014).

 

   

 

 
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