本研究由Colin J. Patterson、Samira Shiri和James C. Bird共同完成，分别来自美国波士顿大学机械工程系和通用电气航空部门。研究论文于2016年12月21日发表在《Journal of Physics: Condensed Matter》期刊上，标题为“Macrotextured spoked surfaces reduce the residence time of a bouncing Leidenfrost drop”。

该研究属于界面物理和流体动力学领域，主要探讨了宏观纹理表面对莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）状态下液滴弹跳行为的调控作用。莱顿弗罗斯特现象是指液体在与高温表面接触时，由于表面温度远高于液体的沸点，液体底部形成一层蒸气膜，从而使液滴悬浮在表面上而不直接接触。这种现象在许多工业应用中具有重要意义，例如热交换、喷雾冷却等。然而，液滴在弹跳过程中与表面的接触时间（residence time）直接影响热量和动量传递效率。因此，研究如何通过表面设计来缩短接触时间具有重要意义。

研究背景基于超疏水（superhydrophobic）和超疏油（superoleophobic）表面的设计，这些表面通过结合化学疏水性和微观纹理结构，能够实现高接触角和低接触角滞后，从而改善液体与表面的相互作用。然而，现有研究主要集中在稳态液体-表面相互作用上，而对液滴碰撞非润湿表面的瞬态行为研究较少。本文的创新点在于研究了宏观纹理表面对液滴弹跳时间和动力学行为的影响，特别是多辐条（spoked）表面结构在莱顿弗罗斯特状态下的表现。

研究流程主要包括以下几个步骤：首先，研究团队通过数控铣削加工技术（CNC milling）制备了一系列不同辐条数的宏观纹理表面，包括平面（0辐条）和1至6辐条的表面结构。这些表面的辐条交叉点通过扫描电子显微镜（SEM）和轮廓仪（profilometry）进行了表征，确保其尺寸精度。其次，实验通过将表面加热至莱顿弗罗斯特温度（约300°C），并使用高速摄影技术记录去离子水滴（半径约1.2毫米）以1.3米/秒的初速度撞击表面后的动力学行为。实验使用了两台高速相机（Photron Fastcam SA5），分别从侧面和顶部视角捕捉液滴的扩散和回缩过程。最后，通过自定义的MATLAB图像处理脚本对实验数据进行分析。

研究结果表明，宏观纹理表面的辐条数显著影响了液滴的弹跳时间。在没有辐条的平面上，液滴的滞留时间为11.5毫秒，而在5辐条表面上，滞留时间缩短至7.5毫秒。归一化后的滞留时间随着辐条数增加而减少，从2.3τ（0辐条）降至1.1τ（6辐条）。此外，液滴在辐条表面上的扩散行为显示出了明显的辐条对称性，液滴在辐条上扩散的范围小于辐条之间的区域。这种不对称的扩散行为导致了液滴中心较早地从表面脱离，从而缩短了滞留时间。

进一步的分析表明，液滴在辐条表面上的扩散和回缩动力学可以通过惯性-毛细时间尺度（inertia-capillary timescale）进行描述。液滴的最大扩散半径（rb）与韦伯数（Weber number, We）的关系遵循We1/4缩放规律，这与先前对超疏水表面的研究结果一致。然而，液滴在辐条表面上的扩散半径（rs）小于在平面上的扩散半径，这表明辐条的存在抑制了液滴的扩散。研究通过修正的“静水压力”模型解释了这一现象，并提出了rs与rb的关系式。

液滴在回缩过程中形成了明显的楔形缺口（wedge angle），这一特征在液滴最终分裂为多个小液滴的过程中起到了关键作用。根据瑞利-普拉托不稳定性（Rayleigh-Plateau instability）的理论，液滴分裂的数量与辐条数呈线性关系。实验观察到，当辐条数大于3时，液滴分裂的数量远超过辐条数，例如在6辐条表面上，液滴分裂为18个小液滴。

总结而言，本研究通过实验和理论模型，系统地研究了宏观纹理表面对莱顿弗罗斯特液滴弹跳行为的影响，揭示了辐条数、扩散动力学和液滴分裂之间的复杂关系。这不仅为理解非润湿表面上的液滴行为提供了新的视角，也为设计高效的热交换和喷雾冷却系统提供了理论依据。研究的创新点在于将宏观纹理表面与莱顿弗罗斯特现象结合，提出了缩短液滴接触时间的新方法，并通过实验和理论模型验证了其有效性。此外，研究还发现了液滴在回缩过程中的楔形缺口现象，为液滴分裂机制提供了新的解释。这些发现不仅在基础科学研究中具有重要意义，也在工业应用中具有广泛的应用前景。