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研究概述

这项研究的题目为“Elongated bouncing and reduced contact time of a drop in the Janus state”，其作者为Venkataraman Sahoo、Chu-Yao Chou、Ching-Wen Lo和Ming-Chang Lu，研究主要由台湾国立交通大学机械工程系完成，并发表在《Langmuir》期刊中。研究于2018年8月22日在线发布。

学术背景

这项研究的研究领域为液体与固体界面的动力学行为（drop dynamics at liquid-solid interfaces），特别是在“Janus热状态”（Janus thermal state）下的液滴接触时间（contact time）和弹跳方式。降低液滴在撞击固体表面后停留的接触时间，在许多应用领域中具有重要意义，例如燃烧、自清洁材料、喷墨技术、防冰材料的开发，以及高温环境中的喷雾冷却系统。

之前的研究表明，超疏水表面在室温下可以通过非轴对称回缩(breaking symmetry)或毛细作用力（capillary emptying）来实现较短的接触时间，而在Leidenfrost状态下，由蒸汽膜形成的无摩擦环境也带来接触时间的极小值。但是，在同时伴随接触沸腾（contact boiling）和Leidenfrost效应的Janus热状态下，液滴的接触时间从未显著降低。关键挑战在于由表面气泡产生的钉扎力会增强液滴对固体表面的附着力，从而增加接触时间。

本研究的目标是克服上述难点，在Janus热状态下显著减少液滴的接触时间，并探索水滴在特定表面（硅氮化物涂层微沟槽表面，SNVM surface）上的非对称弹跳行为，以及分析该现象的物理机制。

研究方法与步骤

1. 实验材料与表面制备

研究中使用了一种特殊设计的SNVM表面。SNVM表面通过如下步骤制备： - 在硅表面附着一层厚约310纳米的硅氮化物（SiNx）薄膜。 - 使用光刻技术制作图案，在硅氮化物薄膜上形成特定的掩膜层。 - 通过等离子反应离子蚀刻法（reactive ion etching）去除未保护区域。 - 使用氢氧化钾（KOH）各向异性蚀刻刻蚀硅表面，形成平行的V形微沟槽（V-shaped microgrooves）。

实验测试了不同沟槽间距（10 μm、35 μm、60 μm和85 μm）的SNVM表面，作为研究对象。

2. 实验设置

研究实验在1个标准大气压下进行，工作温度为287°C（高于硅表面的Leidenfrost温度236°C，但低于硅氮化物表面的Leidenfrost温度495°C）。采用去离子水作为测试液滴，液滴直径（Di）为3毫米，初始撞击速度（V0）通过调整施放高度控制。液滴的碰撞动力学过程通过高速摄像机（5672 fps）记录，并提供背光照明以提升图像质量。

3. 实验过程

实验中，比较了普通硅表面（Plain Si surface）和不同沟槽间距SNVM表面下水滴的弹跳行为。实验重点涉及： - 各表面上的液滴碰撞、展开、回缩和反弹过程。 - “Janus热状态”下接触沸腾和Leidenfrost效应的共同作用机理。 - 研究沟槽密度（沟槽间距）的变化对液滴接触时间和弹跳动态的影响。

此外，实验使用热电偶直接测量测试表面的温度，通过表征材料物理性质（如接触角变化）进一步分析液滴-固体界面的交互。

4. 理论建模与数据处理

为了定量分析液滴的接触时间(tc)以及非对称动量力（momentum force），研究建立了一系列理论模型： 1. 接触时间的理论模型：基于液滴质量守恒和流体动力学理论，构建了可预测接触时间的方程，重点考虑了表面气泡产生的不对称流动。 2. 非对称动量力的理论：结合实验观测与气泡诱导流动假设，模型量化了液滴边缘流体的不对称力。

数据分析工作包括： - 使用实验拍摄图像提取液滴的动态特征。 - 比较理论预测与实验数据，验证模型准确性。 - 采用无量纲化方法对结果进行普适性分析。

主要研究结果

此研究的主要发现包括以下几个方面：

1. 液滴接触时间显著缩短

在不同沟槽间距SNVM表面（10 μm、35 μm、60 μm和85 μm）上，液滴的接触时间显著缩短，其中，最小接触时间为10.36毫秒。这一结果是Janus热状态下液滴接触时间的最低记录值，比未经改进的Plain Si表面的接触时间（17.1毫秒）减少了约41%。

2. 液滴拉长弹跳现象

在SNVM表面上观察到一种特殊的“拉长弹跳”（elongated bouncing）现象。液滴在撞击表面时，沿沟槽方向形成双向展开，但垂直于沟槽方向的回缩被显著加强，导致最终的弹跳表现出非轴对称拉长的几何形态。

3. 非对称动量力机制

研究证实，液滴拉长行为来源于表面气泡的非对称动量力。气泡在水滴边缘的生长和爆裂驱动了单向流动，这种流动作用在Leidenfrost区域的无摩擦蒸汽垫上，形成了方向性增强的动力，最终导致液滴拉长。

4. 理论模型验证与数据一致性

实验结果与理论模型对接触时间和动量力的预测结果一致性较高。研究表明，改变沟槽间距会影响不对称气泡生成区域的长度（leff），进而影响接触时间和弹跳行为。

研究意义与应用价值

1. 科学价值：

   • 本研究首次探讨了Janus热状态下液滴动力学的新机制，补充了液滴与高温表面相互作用的认知。
   • 提供了液滴接触时间和非对称动量力的理论建模方法，为未来界面动力学的定量研究提供了参考。

2. 应用价值：

   • 在高温环境设备（如发动机、电子冷却系统）中，实现液体快速脱离固体的能力至关重要。这项研究提出的缩短接触时间的方法可以显著提高这些系统的工作效率。
   • 在防冰材料和自清洁涂层的设计中，本研究也展现了潜在的应用前景。

研究亮点

• 提出了“拉长弹跳”这一前所未有的液滴动态行为。
• 开展了在Janus热状态下显著缩短接触时间的实验研究，并记录了最低接触时间。
• 通过结合实验与理论建模，揭示了气泡动力学在液滴弹跳过程中的关键作用。

这项研究不仅在界面科学领域具有重要学术意义，其结果还为高温环境中的热管理和液滴动力学控制提供了新的解决方案。