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Nat Commun：清華鄭泉水、呂存景團隊在超疏水表面冷凝液滴高效彈離研究中取得重要進展
來源：清華大學 2022-10-09
導讀：近日，清華大學航天航空學院鄭泉水院士、呂存景副教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發表了題為“冷凝液滴篩”（Condensation Droplet Sieve）的研究論文。該工作提出了一種實現冷凝液滴均勻、極小尺寸自發彈離的全新思路，即超疏水薄壁柵格（TWL）表面。
水的冷凝是生活中常見的相變現象，及時排離固體表面冷凝的微小液滴對于高效相變換熱、除濕、水分收集以及防霧防霜等應用具有重要意義。由于界面黏附，越小尺度的液滴越難排離，成為發展相關技術的一大瓶頸。超疏水表面的液滴合并彈跳為微小液滴自發脫離提供了一種可行的物理途徑；然而，實際的合并彈跳遠非理想，導致大液滴殘留，使得傳熱性能惡化或加速結霜。如何設計具有極端高效液滴自發彈離能力的材料表面，實現微小冷凝液滴大小的嚴格控制，是冷凝環境下超疏水材料的研究前沿。近日，清華大學航天航空學院鄭泉水院士、呂存景副教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發表了題為“冷凝液滴篩”（Condensation Droplet Sieve）的研究論文。該工作提出了一種實現冷凝液滴均勻、極小尺寸自發彈離的全新思路，即超疏水薄壁柵格（TWL）表面。實驗表明，冷凝液滴一旦生長到約柵格尺寸大小，就會以100%的概率通過自發合并彈離表面；最大液滴半徑被限制在16微米，比此前報道的35微米縮小了一半多。換句話說，TWL表面像“篩子”一樣，實現對最大液滴半徑的控制，篩除所有可能潛在產生的大液滴。理論研究還進一步揭示了，有望通過縮小TWL的尺度，比例性地實現更小、甚至納米尺度的液滴均勻彈離，催生潛在的技術變革。
圖1.冷凝液滴在超疏水平面及超疏水薄壁柵格表面的分布及演化：（a）平面及薄壁柵格表面的液滴冷凝分布；（b）冷凝液滴在平面及薄壁柵格表面的尺寸分布；（c）平面（左圖）及薄壁柵格表面（右圖）冷凝液滴的演化過程及合并彈跳概率本文進一步研究了“液滴篩”的機理，即液滴彈跳強化和液滴成長隔離的耦合。更具體說，該研究通過嚴格控制冷凝環境，并用顯微鏡觀測平面和TWL表面，發現了兩者的冷凝液滴分布呈顯著不同（圖1a、1b），后者的冷凝液滴集中分布在小尺度且具有明顯的液滴尺寸截斷效果（圖1b）。觀察冷凝液滴的演化過程，不同于平面上的情況，TWL表面跨柵格時的合并具有100%的彈跳概率（圖1c）。這種高概率彈跳得益于薄壁柵格對合并過程中液體流動的誘導（圖2a），即使在合并液滴的大小失配度較高（>45%）情形下，仍然有足夠的液滴表面能-彈離動能轉化效率（圖2b）。此外，得益于薄壁柵格對生長液滴的隔離，薄壁柵格內的液滴在兩輪次的生長周期內，總能與鄰居液滴發生合并（圖2c）彈離，避免出現更高失配度的液滴合并。相比于平面，TWL表面的殘余液體體積在冷凝過程中很快趨于穩定，并被嚴格限制在極小水平（圖2d）。
圖2. 冷凝液滴篩的原理及液滴彈離效果：（a）相同大小液滴在平面及TWL表面的合并彈跳VOF模擬；（b）不同液滴失配度下的合并彈跳強化效應；（c）生長隔離效應促進“孤島”液滴的脫離；（d）平面及TWL表面的殘余液體體積隨冷凝時間的變化清華大學航院微納力學中心2019級博士生馬晨為論文的第一作者，其共同指導教師為鄭泉水院士和呂存景副教授，其他作者包括清華大學航院博士生陳立、博士后袁志平、王林、佟威，以及碩士畢業生褚晨蕾。該研究成果得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目、國家海外高層次人才引進項目、博士后創新人才支持計劃等的資助。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98783.htm
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