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研究利用对称性破缺抑制卫星液滴

2021-12-06 化学研究所
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  关于液滴撞击到固体表面的回弹行为研究,在喷墨印刷、定向输运、自组装与能量收集等领域具有重要意义。表面浸润性图案化可以精准调控液滴的铺展和回缩行为,但该过程通常伴随卫星液滴的产生,对于喷墨打印等应用具有较大影响,如何精确控制卫星液滴的产生仍是挑战。

  近年来,中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林课题组围绕浸润性图案化调控液滴动态行为开展了系统研究,先后利用图案化浸润性基底的不对称粘附力,实现了使液滴旋转“跳舞”、液滴定向输运和液滴自切割(Nat. Commun., 2019, 10, 950;Adv. Mater. Interfaces, 2019, 6, 1901033;Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10535-10539)。

  在液滴撞击到固体表面的过程中,常见的失稳现象之一是液滴收缩阶段的Plateau-Rayleigh失稳:液滴收缩过程中边缘的液体向内运动并产生向上的液柱,液柱将过度拉长,最终在轻微扰动下分裂成卫星液滴。由于液滴的快速收缩和液滴内部的速度梯度,使液滴在固体表面上回弹时的Plateau-Rayleigh失稳现象难以控制。研究发现,在固体表面构筑非对称的浸润性图案以打破液滴回缩过程的对称性,能够抑制Plateau-Rayleigh失稳,在抑制液滴拉长的同时使液滴回弹过程中不产生卫星液滴。由于非对称浸润性图案提供的不对称粘附力,液滴在水平方向累积的侧向速度大于超疏水表面上液滴的侧向速度,而竖直方向上的纵向速度梯度小于超疏水表面上液滴的纵向速度梯度,因而减小了其拉伸程度。研究定义了净流速的概念,以定量探究不对称图案对液滴失稳程度的影响。净流速即流过液滴中心截面的液体流速。最大净流速能够较好地描述液滴的非对称回缩能力,并与液滴的失稳程度吻合。

  进而,研究利用非对称图案化浸润性基底与液滴的相互作用,提高了液滴能量的利用率。利用图案化浸润性表面的液滴压电收集系统的输出功率比超疏水表面高36.5%,这为提高液滴能量的收集与利用效率提供了新思路。

  近日,相关研究成果发表Nature Communications(DOI:10.1038/s41467-021-27237-0)上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、北京分子科学国家研究中心和中科院的支持。清华大学科研人员参与该工作。

具有不同浸润性图案的基材上液滴的回缩行为

打印 责任编辑:侯茜

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