液滴撞击是自然界中普遍存在的现象，受自然启发的超疏水表面为调节液滴撞击动力学特性提供了强大的平台。液滴撞击与先进超疏水表面两者的结合在众多工程应用扮演必不可少的角色。理解、预测及调控超疏水表面上的液滴动力学行为是将液滴撞击应用于多样化场景并提高利用效果的重要前提。
近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Advanced Materials上发表了题目为“Understanding and Utilizing Droplet Impact on Superhydrophobic Surfaces: Phenomena, Mechanisms, Regulations, Applications, and Beyond”的综述论文。论文全面总结了液滴撞击超疏水表面的现象、机理、调控和应用方面的进展，搭建了液滴撞击、超疏水表面与工程应用之间的桥梁。依据各类应用对液滴接触与回弹特性的不同需求，将利用液滴撞击的应用进行系统的归纳分类。从基础科学与工程应用的角度，指出了现存的挑战并展望了未来发展方向。论文第一作者为上海交大制冷与低温工程研究所博士后胡志锋，通讯作者为王如竹教授。
文章要点：
1. 液滴撞击超疏水表面的基本过程与关键动力学特性
液滴撞击常规超疏水平面的基本过程如图1所示。根据液滴与表面的接触关系可将液滴撞击过程分为液滴接触阶段与回弹阶段。接触阶段由液滴接触表面时起至液滴脱离表面止；当液滴脱离表面时，进入回弹阶段，回弹液滴会在重力作用下回落，再次撞击表面。单次液滴撞击可以引起多次回弹回落过程，直至液滴能量消耗殆尽。液滴与表面间的质量、动量或能量交换均发生于液滴与壁面相接触时，而液滴回弹决定了发生固液接触的次数。液滴接触阶段的固液接触长度与接触时间及液滴回弹阶段的回弹速度与回弹方向是需要关注与调控的关键动力学特性。针对各特性参数的理论模型在不断地发展深化，文中对各动力学特性的理解认识做了全面的整理分析。
图1 液滴撞击常规超疏水表面的基本过程示意图
2. 液滴撞击的调控方式
图2展示的润湿性图案化超疏水表面与结构化超疏水表面是调控撞击液滴动态行为的两类主要表面。润湿性图案化超疏水表面是通过在超疏水基底上修饰亲水或超亲水图案而构建的同时包含高黏附与低黏附区域的表面，其可利用不同润湿区域内液滴三相接触线处的受力差异来调节液滴撞击动态特性。结构化超疏水表面是带各类宏观结构的超疏水表面，利用宏观结构与液滴之间的相互作用，有效改变液滴撞击行为。文中对两类表面对液滴动态特性的调控机理与性能进行了详细的阐述。
图2 调控液滴撞击动力学特性的超疏水表面
3. 液滴撞击的广泛应用
液滴撞击广泛存在于各类应用中并扮演着重要角色，而不同的应用要求不同的液滴行为。图3整理汇总了利用液滴撞击的各类应用，按应用对液滴接触与回弹的不同需求划分了多个象限。第一象限内的应用要求增大接触面积，延长接触时间，减弱液滴回弹；第二象限内的应用要求减小接触面积，延长接触时间，减弱液滴回弹；第三象限内的应用要求减小接触面积，缩短接触时间，增强液滴回弹；第四象限内的应用要求增大接触面积，缩短接触时间，增强液滴回弹。
图3 液滴撞击相关应用的分类
4. 结论与展望
本综述从液滴撞击全过程出发，对液滴撞击的现象、机理、调控及应用展开系统梳理。指出了液滴接触与回弹这两个关键特性，归纳了主流的两类调控液滴行为的先进超疏水表面，阐述了液滴撞击动态特性的调控机理，归纳并分类涉及液滴撞击的各类应用。液滴撞击的科学与应用研究都在欣欣向荣地发展，机理认知不断提高，调控方法更加高效且多样化，实际应用效果显著提升。但仍需意识到，距离完全理解液滴撞击机理并发挥其在各类应用中的最大潜力还有很长的道路，存在众多挑战，如液滴撞击研究尺度需向微米级、纳米级深入，超疏水表面设计方案应趋于通用化等。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310177
第一作者：
胡志锋，清华大学博士，现为上海交通大学王如竹教授团队博士后。主要研究兴趣为超浸润表面及液滴动力学与热力学，相关成果发表于Advanced Materials, Journal of Colloid and Interface Science, Physical Review Applied, Extreme Mechanics Letters等国际知名期刊。
通讯作者：
王如竹教授，上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。主要从事制冷、热泵与热湿调控研究。作为第一完成人获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技进步一等奖4项，个人获何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励。研究成果在国际制冷、热泵、热科学与能源利用领域形成广泛影响，荣获2013年英国制冷学会J&E Hall国际制冷金牌、2018年日本传热学会Nukiyama国际热科学纪念奖、2019年国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章、2021年国际能源署Rittinger国际热泵奖以及2023年全球能源奖（Global Energy Prize）。
王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近年来在Science, Chemical Society Reviews, Nature Review Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications, ACS Energy Letters等国际跨学科交叉高水平期刊上发表系列论文。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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