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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授、李二強(qiáng)教授，香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建光滑注液多孔表面，提出促進(jìn)小球入水產(chǎn)生空腔與提高流動(dòng)減阻的新方法。相關(guān)研究成果以“Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces”為題，于2022年1月17日在線發(fā)表在Advanced Science上。

降低固體在液體中移動(dòng)阻力是通過(guò)減少摩擦實(shí)現(xiàn)減阻節(jié)能的典型問(wèn)題，而具有自由滑移表面的球體代表了可最小化運(yùn)動(dòng)阻力的理論極限。仿生豬籠草設(shè)計(jì)的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surfaces，簡(jiǎn)稱(chēng)SLIPSs)具有良好的損傷自修復(fù)性，在抗冰、抗污漬等方面有著諸多應(yīng)用，且不相溶液體在其上將形成可滑移液液界面?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)使用飛秒激光可控微納加工技術(shù)在不銹鋼小球表面生成微孔陣列，并注入低表面能氟素液體獲得SLIPS小球用于入水問(wèn)題研究。有趣的是，相比于相同接觸角的干燥疏水小球，SLIPS小球入水更易產(chǎn)生空腔及實(shí)現(xiàn)流動(dòng)減阻。

圖1. (a) SLIPS小球制備流程，(b)飛秒激光結(jié)構(gòu)化小球表面掃描電鏡微觀形貌

圖2. 疏水球入水（左）和 具有相同接觸角與撞擊速度的SLIPS小球入水（右）典型過(guò)程

圖3. 小球入水和液滴撞擊中液膜早期鋪展的統(tǒng)一尺度律

為更好地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可視化和定量分析，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入小球與液滴間曲率比，成功將液滴撞擊產(chǎn)生皇冠和小球入水形成空腔兩類(lèi)問(wèn)題直接關(guān)聯(lián)，建立了液滴撞擊和小球入水兩類(lèi)問(wèn)題中液膜早期鋪展的統(tǒng)一尺度律。基于此，可定量計(jì)算入水問(wèn)題中液膜鋪展速度。

圖4. 粘度比對(duì)皇冠形成和空腔生成的影響

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)拓展了前人在移動(dòng)接觸線問(wèn)題中關(guān)于潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換臨界毛細(xì)數(shù)的理論(Qin & Gao, J. Fluid Mech., 2018, 844, 1026-1037)，結(jié)合上述計(jì)算的液膜鋪展速度，給出了不同粘度潤(rùn)滑油膜SLIPS小球入水產(chǎn)生空腔的臨界速度預(yù)測(cè)公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。得益于潤(rùn)滑油相粘度遠(yuǎn)高于空氣，較之具有相同接觸角的干燥疏水球，SLIPS小球可在更廣參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生空腔、實(shí)現(xiàn)流動(dòng)減阻。

圖5. SLIPS小球可在更廣參數(shù)范圍內(nèi)降低水下運(yùn)動(dòng)小球的阻力系數(shù)

本工作創(chuàng)新地引入曲率比將小球入水和液滴撞擊兩類(lèi)問(wèn)題相關(guān)聯(lián)，從潤(rùn)濕轉(zhuǎn)換的角度提出一種促進(jìn)小球入水產(chǎn)生空腔的新策略，有望為水下減阻、仿生界面設(shè)計(jì)和移動(dòng)接觸線等應(yīng)用與科學(xué)問(wèn)題提供新思路。

論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系副研究員朱蘇皖和近代力學(xué)系博士生吳濤，通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授、李二強(qiáng)教授和香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授。合作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)褚家如教授、胡衍雷教授和李家文副教授。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

WILEY

論文信息：

Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces

Suwan Zhu, Tao Wu, Yucheng Bian, Chao Chen, Yiyuan Zhang, Jiawen Li, Dong Wu*, Yanlei Hu, Jiaru Chu, Erqiang Li*, Zuankai Wang*

Advanced Science

DOI :10.1002/advs.202103568

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