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  當雨滴撞擊到不同的固體表面時，會發生形態各異的鋪展和回縮行為。精準的控制液滴的動態行為在噴墨打印、定向輸運、自組裝與能量收集等領域具有重要的意義。液滴撞擊到超疏水表面的回彈行為已經被人們關注了數十年，這一過程中液滴一般會破裂產生衛星液滴。通過表面微結構和浸潤性雖可以調控液滴的鋪展和回縮行為，但是在此過程中通常伴隨著衛星液滴的產生，這些衛星液滴是由失穩導致主液滴破裂產生的。衛星液滴的產生對于噴墨打印、自組裝、定向輸運與能量收集等應用都具有較大的影響。盡管目前液滴操控已經取得重要的進展，但是如何精確控制衛星液滴仍然是一個挑戰。

  在液滴撞擊到固體表面的過程中，最常見的失穩現象之一是液滴回縮階段的Plateau-Rayleigh失穩：液滴收縮過程中邊緣的液體發生向內運動并產生向上的液柱，液柱將過度拉長，最終在輕微擾動下分裂成衛星液滴。由于液滴的快速收縮和液滴內部的速度梯度，使得液滴在固體表面回彈時的Plateau-Rayleigh不穩定性難以控制。近日，中國科學院化學研究所的宋延林研究員團隊研究發現:通過在固體表面構筑非對稱浸潤性圖案來打破液滴回縮過程的對稱性，能夠抑制Plateau-Rayleigh不穩定性，在抑制液滴拉長的同時使液滴回彈過程中不產生衛星液滴。基于這一結果，水滴能量利用率得到了顯著提高，水力發電效率可提高36.5%。這一成果發表在最新一期的Nature Communications （Nat. Commun., 2021, 12, 6899）上。

通過打破浸潤性的對稱性來抑制Plateau-Rayleigh失穩

  作者在超疏水表面上構筑了具有非對稱粘附力的親水圖案，以直線型圖案（LPW表面）和半圓形圖案（APW表面）為代表,并對比研究了超疏水表面（SHB表面）與這兩種表面上的液滴的回彈行為差異（圖1a-c）。研究發現，液滴在SHB表面上有88%的概率會產生3個及以上的衛星液滴；在LPW表面上有82%的概率會產生1個衛星液滴；而在APW表面上則有90%的概率不產生衛星液滴。同時,他們發現液滴在脫離表面時的拉伸程度和液滴的衛星數目正相關，而與主液滴的動能呈負相關關系。這表明液滴的失穩程度（由拉伸程度和衛星液滴的數目來表征）可以通過非對稱圖案化的浸潤性基底來調控。

圖1.具有不同浸潤性的基材上的液滴的回縮行為

液滴回縮過程中內部的不對稱流動

  為了進一步探究非對稱圖案化浸潤性基底抑制液滴Plateau-Rayleigh失穩的機理，作者選取LPW表面作為非對稱圖案化浸潤性基底的代表，將之與SHB表面對比，探究了液滴內部的流動情況（圖2）。結果發現: 在LPW表面上，由于非對稱浸潤性圖案提供的不對稱粘附力的存在，液滴在水平方向累積的側向速度大于SHB表面上的液滴，同時豎直方向上的縱向速度梯度要小于SHB表面，因而減小了其拉伸程度（失穩程度）。

圖2. 不對稱/對稱液滴回縮的動力學

  作者定義了凈流速的概念，以定量探究不對稱圖案對液滴失穩程度的影響。凈流速即流過液滴中心截面（圖3a中的虛線截面）的液體流速。最大凈流速能夠很好地描述液滴的非對稱回縮能力，并與液滴的失穩程度吻合（圖3c-d）。

圖3. 液體非對稱流動對衛星液滴、伸長程度和主液滴動能的影響

提高水電收集效率

圖4. 提高水電收集效率

  超疏水表面通常被認為是能量利用率最高效的表面。利用非對稱圖案化浸潤性基底與液滴的相互作用可以進一步提高液滴能量的利用率。利用APW表面的壓電收集系統的輸出功率要比SHB表面的收集系統高36.5%（圖4c）。該工作為提高液滴能量的收集與利用提供了新的思路。

  該工作的第一完成單位為中國科學院化學研究所，文章的第一作者是化學所博士生趙志鵬，通訊作者為化學所李會增博士和宋延林研究員，以及清華大學馮西橋教授。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27237-0

  下載：Breaking the symmetry to suppress the Plateau–Rayleigh instability and optimize hydropower utilization