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近日，上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在國(guó)際材料領(lǐng)域期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Understanding and Utilizing Droplet Impact on Superhydrophobic Surfaces: Phenomena, Mechanisms, Regulations, Applications, and Beyond”的綜述論文。論文全面總結(jié)了液滴撞擊超疏水表面的現(xiàn)象、機(jī)理、調(diào)控和應(yīng)用方面的進(jìn)展，搭建了液滴撞擊、超疏水表面與工程應(yīng)用之間的橋梁，從基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的角度，指出現(xiàn)存的挑戰(zhàn)并展望了未來(lái)發(fā)展方向。論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士后胡志鋒，通訊作者為王如竹教授。
液滴撞擊是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，受自然啟發(fā)的超疏水表面為調(diào)節(jié)液滴撞擊動(dòng)力學(xué)特性提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。液滴撞擊與先進(jìn)超疏水表面兩者的結(jié)合在眾多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。理解、預(yù)測(cè)及調(diào)控超疏水表面上的液滴動(dòng)力學(xué)行為，是將液滴撞擊應(yīng)用于多樣化場(chǎng)景并提高利用效果的重要前提。
根據(jù)液滴與表面的接觸關(guān)系，可將液滴撞擊常規(guī)超疏水平面過(guò)程分為液滴接觸階段與回彈階段。接觸階段由液滴接觸表面時(shí)起至液滴脫離表面止；當(dāng)液滴脫離表面時(shí)，進(jìn)入回彈階段，回彈液滴會(huì)在重力作用下回落，再次撞擊表面。單次液滴撞擊可以引起多次回彈回落過(guò)程，直至液滴能量消耗殆盡。液滴與表面間的質(zhì)量、動(dòng)量或能量交換均發(fā)生于液滴與壁面相接觸時(shí)，而液滴回彈決定了發(fā)生固液接觸的次數(shù)。液滴接觸階段的固液接觸長(zhǎng)度與接觸時(shí)間，以及液滴回彈階段的回彈速度與回彈方向是需要關(guān)注與調(diào)控的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)特性。針對(duì)各特性參數(shù)的理論模型在不斷地發(fā)展深化，論文對(duì)各動(dòng)力學(xué)特性的理解認(rèn)識(shí)做了全面的整理分析。
潤(rùn)濕性圖案化超疏水表面是通過(guò)在超疏水基底上修飾親水或超親水圖案，而構(gòu)建的同時(shí)包含高黏附與低黏附區(qū)域的表面，其可利用不同潤(rùn)濕區(qū)域內(nèi)液滴三相接觸線處的受力差異來(lái)調(diào)節(jié)液滴撞擊動(dòng)態(tài)特性。結(jié)構(gòu)化超疏水表面是帶各類宏觀結(jié)構(gòu)的超疏水表面，利用宏觀結(jié)構(gòu)與液滴之間的相互作用，有效改變液滴撞擊行為。文中對(duì)兩類表面對(duì)液滴動(dòng)態(tài)特性的調(diào)控機(jī)理與性能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
液滴撞擊相關(guān)應(yīng)用的分類
液滴撞擊廣泛存在于各類應(yīng)用中，而不同的應(yīng)用要求不同的液滴行為。文章按應(yīng)用對(duì)液滴接觸與回彈的不同需求劃分了多個(gè)象限。第一象限內(nèi)的應(yīng)用要求增大接觸面積，延長(zhǎng)接觸時(shí)間，減弱液滴回彈；第二象限內(nèi)的應(yīng)用要求減小接觸面積，延長(zhǎng)接觸時(shí)間，減弱液滴回彈；第三象限內(nèi)的應(yīng)用要求減小接觸面積，縮短接觸時(shí)間，增強(qiáng)液滴回彈；第四象限內(nèi)的應(yīng)用要求增大接觸面積，縮短接觸時(shí)間，增強(qiáng)液滴回彈。
液滴撞擊作為諸多應(yīng)用的核心過(guò)程，一直以來(lái)都受到廣泛的關(guān)注。液滴撞擊現(xiàn)象與機(jī)理的研究已歷時(shí)近一個(gè)半世紀(jì)，超疏水表面的出現(xiàn)更是掀起了操縱液滴行為的研究熱潮。液滴撞擊的研究和應(yīng)用具有廣泛的跨學(xué)科價(jià)值，而且對(duì)于現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新有不可或缺的推動(dòng)作用。
王如竹教授領(lǐng)銜的能源-水-空氣創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（ITEWA）長(zhǎng)期致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在Science, Chemical Society Reviews, Nature Review Materials, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications等國(guó)際跨學(xué)科交叉高水平期刊上發(fā)表系列論文。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310177
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