本文报道了一个有趣的液滴弹跳现象，通过在液滴中加入气泡来抑制液滴撞击表面后的反弹，即使在超疏液表面也能实现明显的弹跳抑制，而不改变表面的超疏液特性。文中通过实验探究、理论建模及数值模拟研究，从能量、流场、力学三个角度揭示了这种新型回弹抑制的机理。

  自然界中存在许多超疏表面，例如荷叶表面、蝴蝶翅膀表面、水稻叶子等等。当液体撞击到上面时，由于其表面的特殊结构使得液滴能够快速弹开。液滴的弹跳使得液体在超疏液表面的沉积成为一个较为有挑战的问题。先前的研究主要采用改变表面结构或液体物性等方法增加固液表面的能量耗散，使得液滴能够停留在表面。这些方法或破坏了表面的结构或限定了液体的性质，一定程度上改变了表面固有的疏液性质。近日，香港城市大学机械工程系朱平安课题组报道了一种新型的抑制液滴在超疏液表面回弹的方法，通过在液滴内封装一个气泡，使得液滴的弹跳性能大大降低。这种空心液滴在超疏液表面的回弹抑制行为在喷雾冷却、自清洁、农药喷洒及液体操控等方面具有特殊意义，首次在不改变表面结构或液体物性的情况下实现了液滴在超疏表面的回弹抑制。

普遍存在的回弹抑制

  当液滴内部含有气泡时，称之为空心液滴（Hollow Droplet, HD）。与单相液滴（Single-phase Droplet，SD）相比，空心液滴具有十分特别的核壳结构，这种独特的形态在各种实际过程中都很普遍，包括雨滴下落到地球表面时包裹的空气，热喷涂涂层过程中空心球形颗粒的沉积，纳米乳液制备过程中的气泡破裂，以及海洋中的气溶胶转移等等。展示了空心液滴撞击在超疏表面上后其弹跳受到抑制，仅以极低的高度回弹甚至不回弹。这一现象与普通液滴撞击该表面后的反复弹跳形成鲜明对比。有趣的是，空心液滴所表现出的回弹抑制现象是普遍存在的，可以发生在不同的超疏表面及液体中。

液滴行为的数学模型预测

图.1 液滴弹跳机理的数学模型

回弹抑制背后的真正原因

能量“内卷”

图2.数值模拟液滴撞击过程中的能量变化

流场震荡

  从流场的角度看，气泡的存在扰乱了液滴内部的流场，使得液滴回缩过程中流场分布不均匀，无法形成向上的合动量。对于SD, 内部的流场呈现出均一向上的趋势，助力了液滴弹起。而对于HD而言，由于浮力作用，内部的气泡一直位于液滴的顶部，阻挡（分流）了回缩过程中向上流动的液体，使得流场的方向不断上下交替震荡，导致了其总动量始终处于较低（甚至为负）的水平，因而无弹起或者弹跳高度被抑制。

力量“内斗”

图3. 反毛细效应所引起的回弹抑制

身边中的回弹抑制

  相似的现象还可以在更大的长度尺度上观察到。文章最后设计了一个简易的小实验，用装满水的气球模拟纯液滴，用内部包含水和一个充满空气的复合气球模拟空心液滴；将两个气球从同一高度释放，可以看到装满水的气球在撞击铺展后迅速回弹，而复合气球在撞击后仅收缩但没有回弹。

结语

  超疏液表面的液体沉积问题涉及工农业及生物医疗等多种场景，一直以来是研究人员不断探索的领域。文章中所报道的空心液滴在超疏表面的弹跳抑制现象表面，表明在不改变固液性质的情况下，仅仅改变撞击液滴的结构便可以有效抑制回弹，从而保证了固体表面的疏液性不被破坏。这一发现为许多相关领域的液滴应用提供新思路。例如，当使用液滴除尘时，空心液滴的引入会增大液滴与表面的接触面积，可进一步提高表面自清洁效率；当喷雾冷却时，空心液滴撞击后停留在表面增加了固液接触时间，可以增大液体冷却效率。空心液滴的回弹抑制原理也可以应用到减震系统，为定点抛投灭火装置提供新思路。

  空心液滴内外表面之间的竞争对抗，导致了液滴的“内卷”，使其在撞击超疏表面后整体呈现出一种近乎“停滞”的麻木状态。空心液滴内外表面能之间的流动循环使得表面能向难以向动能有效转化，尽管系统总能量并未有太多耗散，但是急剧降低的平动动能导致空心液滴的回弹受到抑制，只能停留在表面不断震荡。当小小的液滴陷入“内卷”困境时也难以避免地失去了活力。

  论文信息：    

  Zhou, Y., Zhang, C., Zhao, W., Wang, S. & Zhu, P. Suppression of hollow droplet rebound on super-repellent surfaces. Nature Communications 14, 5386 (2023).

  https://www.nature.com/articles/s41467-023-40941-3

  作者简介

  朱平安博士是香港城市大学机械工程系助理教授，主要研究方向是微纳尺度流动基础及应用，近年来以第一或通讯作者身份在Science, Nature Communications, Advanced Materials, The Innovation, Chemical Reviews等期刊发表论文40余篇，出版英文学术专著1部。研究成果获得众多媒体和杂志的重点报道，包括Science News、The Times、News Scientist、Phys.org、法国驻香港大使馆、新华社、香港TVB等。曾获得多项荣誉和奖项，包括2022 Micromachnies 杰出青年学者奖、2022 Lab on a Chip杰出审稿人、2021中国新锐科技人物突出成就奖、2018 TechConnect全球创新奖、2017香港青年科学家奖提名等。