近日，我院彭志科教授課題組在Science Advances上發(fā)表題為“Liquid repellency enhancement through flexible microstructures”的論文，提出了蘑菇-彈簧構(gòu)型柔性微納表面結(jié)構(gòu)，聚焦表面抗液防冰技術(shù)難題。我院博士后胡松濤和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院博士后曹小寶為共同第一作者，彭志科教授和史熙教授為共同通訊作者，英國帝國理工學院Daniele Dini教授團隊和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院Andrew deMello教授團隊、王京教授團隊為論文合作單位。
低溫環(huán)境下的液滴沖擊行為易造成零部件表面結(jié)冰現(xiàn)象，破壞界面-環(huán)境的交互作用，甚至影響零部件的正常使用，而超疏水表面可自發(fā)性抗液防冰，在航空、電力、通信、能源等領(lǐng)域具有工程應(yīng)用前景。學者對超疏水表面進行柔性化處理，與沖擊液滴串聯(lián)成雙彈簧振子耦合動力學系統(tǒng)，證明柔性表面的振動行為可大幅度縮短固液接觸時間，但受限于苛刻的固液沖擊位置。
研究團隊提出了“類皮膚-肌肉”微納表面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的新思路，即頂層表面結(jié)構(gòu)用于接受/反饋外部環(huán)境激勵，底部支撐結(jié)構(gòu)用于調(diào)控系統(tǒng)力學性能。其中，頂部表面結(jié)構(gòu)采用跳蟲胸甲處的雙凹角蘑菇狀設(shè)計，可有效反彈高速沖擊液滴；區(qū)別于經(jīng)典荷葉效應(yīng)僅適用于高表面能液滴，蘑菇狀結(jié)構(gòu)具備全疏性。底部支撐結(jié)構(gòu)采用圓柱螺旋彈簧設(shè)計替換傳統(tǒng)的立柱狀設(shè)計，實現(xiàn)微納表面結(jié)構(gòu)的柔性化。研究發(fā)現(xiàn)，蘑菇-彈簧構(gòu)型的柔性微納表面結(jié)構(gòu)陣列與沖擊液滴構(gòu)成彈簧振子并/串聯(lián)的多自由度耦合動力學系統(tǒng)，通過底部彈簧狀支撐結(jié)構(gòu)的振動行為可增強頂部蘑菇狀結(jié)構(gòu)的抗刺穿力，并縮短蘑菇狀結(jié)構(gòu)與液滴的接觸時間，實現(xiàn)抗液防冰功能。鑒于柔性微納結(jié)構(gòu)的高度一致性，上述積極效果不再依賴于液滴沖擊位置。該研究揭示了柔性微納結(jié)構(gòu)振動與液滴沖擊的力學耦合機制，促使抗液防冰超疏水表面工作由微觀結(jié)構(gòu)靜問題發(fā)展為動問題研究，具有理論意義與工程價值。
研究工作得到了國家自然科學基金項目、博士后科學基金、英國工程與自然科學研究委員會的資助。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/32/eaba9721
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