上海交大ITEWA团队综述文章总结液滴撞击超疏水表面研究应用进展

　　

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）在国际材料领域期刊Advanced Materials上发表了题为“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，从基础科学与工程应用的角度，指出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。

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中发挥着重要作用。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。

根据液滴与表面的接触关系，可将液滴撞击常规超疏水平面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，以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，论文对各动力学特性的理解认识做了全面的整理分析。

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。

液滴撞击相关应用的分类

液滴撞击广泛存在于各类应用中，而不同的应用要求不同的液滴行为。文章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。

液滴撞击作为诸多应用的核心过程，一直以来都受到广泛的关注。液滴撞击现象与机理的研究已历时近一个半世纪，超疏水表面的出现更是掀起了操纵液滴行为的研究热潮。液滴撞击的研究和应用具有广泛的跨学科价值，而且对于现代科技和工业的发展和创新有不可或缺的推动作用。

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等国际跨学科交叉高水平期刊上发表系列论文。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310177

作者：

制冷与低温工程研究所

供稿单位：

机械与动力工程学院