液滴撞擊到固體表面后的鋪展與回彈行為在微流控、能量收集、自清潔、噴墨打印領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。回彈角θ作為一個基礎(chǔ)且關(guān)鍵的參數(shù)，長期被認(rèn)為存在理論極限。目前已報導(dǎo)的研究的回彈角θ≥26.7°，其極限值始終未被突破。近日，香港理工大學(xué)王立秋教授/中科院化學(xué)所宋延林研究員/南昌大學(xué)胡笑添教授/香港城市大學(xué)Steven Wang教授等人通過創(chuàng)新性表面設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了液滴近乎0°的極限回彈角，并揭示了其物理機(jī)制。該成果發(fā)表于Nature Communications（2025, 16:5684），第一作者為趙志鵬博士，該成果為液滴操控技術(shù)開辟了新維度。
液滴的“貼地飛行”行為
僅僅依靠液滴撞擊過程中的動能，而不需要外場耦合實(shí)現(xiàn)液滴“貼地飛行”似乎難以實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)通過在超疏水表面構(gòu)建異質(zhì)修飾的納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種具有圖案化潤濕性（PW）的表面：其中包含一個超親水弧形區(qū)域（SHL arc）。當(dāng)液滴撞擊該表面時，會在收縮過程中被弧形區(qū)域“抓住”，并在精心設(shè)計的兩個方向的不對稱粘附力的作用下，沿表面水平滾動，反彈角低至 0°，實(shí)現(xiàn)了真正的“貼地飛行”。
圖1 液滴回彈角度極限
機(jī)制揭秘：“雙彈簧”模型
研究者提出一個巧妙的類比：液滴在運(yùn)動過程中如同兩個互相垂直的彈簧系統(tǒng)：垂直彈簧：消耗豎向速度，使其降為零；水平彈簧：積累橫向動量，推動液滴滾動。超親水弧區(qū)就像是一個“固定鉸鏈”，在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)施加力，實(shí)現(xiàn)動能的有效轉(zhuǎn)化。
圖2 兩個方向力的調(diào)控
力學(xué)揭秘：消除液滴撞擊過程中第二個力的特征峰
研究團(tuán)隊(duì)通過分析與測量水平和豎直方向的力，并探究了其精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制。尤其在豎直方向上力的分析與測量過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過基底設(shè)計，可以將液滴撞擊到固體表面的兩個特征峰中的一個消除（圖2b）。
關(guān)鍵參數(shù)：如何設(shè)計表面才能實(shí)現(xiàn)“貼地滾動”？
團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，確定了兩個關(guān)鍵無量綱參數(shù)：
·α′ = α/(2π)（弧區(qū)開口占比）
·L′ = L/D（線寬與液滴直徑比）
只有當(dāng)二者協(xié)調(diào)時，液滴才能實(shí)現(xiàn)水平滾動。否則會出現(xiàn)粘附、垂直反彈等現(xiàn)象。
圖3 參數(shù)設(shè)計：圖案和液滴
傾斜、彎曲表面拓展
這種邊界滾動行為（Boundary-rolling rebound）并不僅限于水平表面。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，液滴可以在傾斜角達(dá)17.4°的斜面向下爬行：
無論是在凹面還是凸面上，液滴都能緊貼邊界完成向上或向下的滾動：
圖4 應(yīng)用展示
應(yīng)用展示：清潔效率提升349%，微流控運(yùn)輸無外力操控
研究團(tuán)隊(duì)展示了該技術(shù)在多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。高效自清潔：液滴沿傾斜表面滾動，可帶走大量污染物，清潔效率比普通超疏水表面提高349%。無外場微流控傳輸：液滴可在L形、彎曲、復(fù)雜通道中自主運(yùn)動、融合，無需外加電場、磁場等控制，為微流控芯片設(shè)計提供新思路。
這些場景都無需任何外部能量場（如電場、磁場等）的輔助，僅靠液滴自身的動能和表面設(shè)計即可實(shí)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了液滴0°反彈的極限行為，提出了“雙彈簧”理論模型，并展示了其在清潔、微流控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。液滴的“貼地飛行”不再只是想象，而是可設(shè)計、可控制、可應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)。
論文信息：
Zhao, Z., Li, W., Hu, X. et al. The limit of droplet rebound angle. Nat. Commun. 16, 5684 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61300-4
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