借助一层薄薄的气、液膜漂浮于承托基底上的液滴具有极高的自由度,只要外界条件发生稍许改变,液滴的运动行为即会出现千变万化。这种与固体/液体表面不接触、不润湿的液滴,不仅具有重要的基础科学研究价值,同时也会影响工程实践中的液滴操控。
从不同于传统的流体(水或油)出发,来自中国科学院理化技术研究所(理化所)的刘静教授团队围绕镓基室温液态金属这一具有极高表面张力的特殊流体(表面张力约是水的十倍),近年来在高自由度漂浮液滴研究中发现和阐释了一系列奇特的表界面现象,如:电化学产氢气垫弹簧触发的液滴跳跃(Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 223901),电场触发的液滴冲浪(Appl. Phys. Lett. 2017, 111, 101603),旋转磁场驱动的液滴不融合(Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 083702),竖直振动液池上的液滴对行星绕转现象(Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 053603),以及液滴群自组装行为(Phys. Rev. Fluids 2018, 3, 124804)等。
图1. (a) 实验操作过程示意;(b, c) 一个逆时针自旋液态金属镓液滴的俯视图和侧视图;(d) 自旋液滴边缘点的轨迹;(e) 液滴在竖直方向上的位置随时间的变化;(f) 液滴自旋角速度随时间的变化。
图2. 探究液滴自旋驱动机理的对比实验. (a) 在无气泡的纯冰上液滴竖直下沉;(b) 有气泡冰上液滴自旋,而无气泡冰上液滴竖直下沉;(c) 一个顺时针旋转的液滴受一簇逸出的气泡影响转为逆时针旋转;(d) 不锈钢冰块上镓液滴的凝固过程;(e) 冰块上镓液滴凝固过程的水膜变化;(f) 冰上液滴自旋的驱动机理示意。
图3. (a) 不同液态金属液滴凝固前后的形态;(b) 80°C不锈钢球和玻璃球在冰上的运动比较;(c, d) 两种固体球的轨迹和角速度;(e-h) 不同液态金属液滴和固体球的运动特征参数的统计比较:(e) 自旋周期;(f) 开始自旋前的迟疑时间;(g) 整个自旋过程耗时和完成第一圈耗时;(h) 实验目标的半径和质量。
以上研究得到中科院前沿科学项目以及国家自然科学基金重点项目资助。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300158
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