香港城大朱平安、香港理工王钻开《Nat. Commun.》：液滴弹跳时间最小极限？
本文报道了一个超快液滴弹跳现象，通过在液滴中加入固体颗粒来实现液滴撞击表面时的极快反弹，接触时间可低至0.05毫秒，创造新的最低纪录。这种显著的接触时间减少现象普遍适用于各种系统，包括水滴和油滴、弹性和刚性颗粒、超疏液和超亲液表面，并且在各种撞击速度下都有效。
液滴与固体表面的接触时间对于自清洁、防结冰、防雾、传热、液滴操控和能量收集至关重要。对于以最小能量耗散撞击超疏水表面的液滴，惯性和毛细作用之间的相互耦合决定了接触时间，即惯性-毛细作用时间尺度。先前的各种研究主要依赖于固体表面设计调节液滴弹跳动力学来降低接触时间。但这些方法仍受限于惯性-毛细作用框架，接触时间仍然主要由毛细作用决定，因此限制在几毫秒以上。打破这一理论限制以进一步减少接触时间是一个极有挑战性的问题。近日，香港城市大学机械工程系朱平安/香港理工大学机械工程系王钻开教授合作报道了一种新型减小液滴与固体表面接触时间的方法，通过在液滴内封装一个固体颗粒，使得液滴的接触时间降低至少两个数量级。这种固-液复合液滴作为一种最小化接触时间的普适而有效的策略，具有重要的前景。相关工作以 Ultrafast bounce of particle-laden droplets 为标题发表在Nature Communications上。
普遍存在的超快弹跳现象
当液滴包裹颗粒时(Droplets encapsulating a particle, DEP)产生一种具有壳核结构的复合液滴，这种体系在各种实际过程中都很普遍。图1展示了DEP，液滴和固体颗粒的弹跳行为。和液滴的弹跳明显不同(10.8毫秒)，DEP在0.3毫秒的短时间内从表面迅速脱离，表现出类似于固体颗粒的超快弹跳行为，这实现了前所未有的97%的接触时间减少。值得注意的是，DEP的超快弹跳行为在不同的系统中是普遍存在的，可以发生在不同液体、不同颗粒和各种表面上。
图1. 不同系统的弹跳行为对比
DEP的接触时间随撞击速度(V)的增加而明显变化，呈现出三种不同的变化区间(图 1d)。DEP的接触时间对撞击速度的独特依赖性与液滴形成了鲜明的对比，通常液滴的接触时间与速度无关。此外，在所有三种状态下，DEP的接触时间均明显短于液滴(约10毫秒)，这表明液滴中包含的颗粒会从根本上改变弹跳动力学。
Hertz区间
为了揭示DEP在区间I中表现出的超快弹跳的复杂性，通过实验详细研究其在撞击过程中的形态变化(图 2a)。在铺展阶段，颗粒和液滴外壳经历连贯变形，DEP系统保持结构的完整性。然而，在回缩阶段，出现了不同步现象，其标志是DEP底部的颗粒和液体外壳分离。由于颗粒的反弹速度比液滴外壳快得多，当颗粒在回缩过程中开始向上运动时，大部分液壳无法与底面接触，继续保持向下的速度，这种速度不匹配将颗粒推到液壳的上部。因此，DEP的整体弹跳行为受到颗粒局部动力学的决定性影响。与液滴所表现出的振荡形状截然不同，DEP的最大变形显著减小，这极大地减少了铺展和回缩时间，最终导致接触时间减少。
图2. Hertz区域内DEP的弹跳动力学
此外，各种参数对DEP的接触时间的影响也进行了系统的探究。有趣的是，一旦DEP采用类固体弹跳行为，接触时间几乎与粒子体积分数无关，但会受到颗粒的杨氏模量和冲击速度等因素的影响。在此区间，DEP的接触时间受Hertz理论主导。
图3. DEP在Hertz区域内的接触时间
部分回缩区间
随着撞击速度增大并超过第一个临界值时，液壳会接触固体表面，经历铺展和退缩的过程(图4)，这导致了此区间内DEP接触时间的增加，但内部的颗粒仍继续影响整体弹跳动力学。撞击后颗粒的变形和反弹在液壳的铺展阶段内迅速发生，颗粒起飞后恢复其球形形状，迫使液壳停止铺展并与颗粒一起向上运动。这种不同步运动导致液壳形状被拉长，并在DEP内形成空穴。DEP起飞时，平坦的底部表面标志着非零接触半径，即回缩过程不完整。颗粒的快速弹跳减小了液壳的最大铺展直径，并导致液壳不完全回缩，从而减小DEP的接触时间。
图4. DEP的部分回缩
完全回缩区间
当撞击速度增加到超过第二个临界值时，DEP的接触时间逐渐接近恒定值。此时，起飞之时接触半径降低至零，液壳的回缩不再受颗粒的影响，DEP的弹跳动力学转变成完全回缩。相比于颗粒动力学，液壳的流体动力效应占主导地位。在完全回缩区间中，DEP的接触时间仅由液壳的质量确定，因此归一化的接触时间是体积分数的函数(图5)。
图5. DEP的完全回缩
冰-水系统
调控DEP的接触时间对于涉及各种情况下的固-液复合体系都是有益的，一个常见的体系是由冰芯和水壳组成的结冰水滴。在现实环境中，水冰混合物(如雨夹雪)会附着在飞机机翼、风力涡轮机叶片和电力线等表面，对安全性和性能构成挑战。作为概念验证演示，实验结果表明了结冰水滴在撞击疏水表面后会迅速脱离，具有固体主导的弹跳行为(图6)。随着体积分数的变化，在结冰水滴弹跳过程中先后观察到液体回缩和Hertz两种状态，接触时间随着冰核体积分数的增加而减少。这对在缓解与结冰相关的情况中具有重要意义。
图6. 结冰水滴的接触时间
这项工作以设计DEP为例，证明了通过对液滴非均质性的操纵策略可以显著减少接触时间。基于接触时间的变化趋势描述了三种不同的弹跳区域：Hertz区域、部分回缩区域和完全回缩区域。通过调节颗粒体积分数和碰撞韦伯数，可以有效地转换和控制不同的弹跳状态和接触时间。值得注意的是，在三种区间中的任何一种中，DEP都显示出相当短的接触时间。从他们的理论分析可知，通过提高冲击速度和颗粒的杨氏模量或通过减小DEP的半径和有效密度，可以进一步减小接触时间。这一发现作为一种强大而有效的策略，可以在各种应用中最大限度地减小液滴和表面的接触。鉴于固-液复合系统在自然和工业过程中的普遍性，如流化床、结冰液滴、熔融颗粒、未凝固的混凝土、3D打印和药物输送等，这项研究将会有重要的作用和深远的意义。
论文第一作者为香港城市大学机械工程系博士生李言红，通讯作者为香港城市大学机械工程系助理教授朱平安和香港理工大学机械工程系讲座教授王钻开。
朱平安课题组常年招收全奖博士研究生，研究方向包括但不限于微流控、表面浸润性、微纳制造、软体机器人、流体传热等，欢迎有兴趣的同学致邮 (pingazhu@cityu.edu.hk)。详情参见课题组主页：https://pinganzhu.wixsite.com/mecityu/opportunities；或https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/pingan-zhu(feb16646-787c-4c97-aa58-71f46cc3aaaa)/opportunities.html
论文信息
Li, Y., Zhao, W., Zhou, Y., Tang, S., Wang, S., Zheng, Y., Wang, Z & Zhu, P. Ultrafast bounce of particle-laden droplets. Nature Communications 15, 9943 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54288-w
