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Nat Commun：清華鄭泉水、呂存景團(tuán)隊(duì)在超疏水表面冷凝液滴高效彈離研究中取得重要進(jìn)展

來(lái)源：清華大學(xué)      2022-10-09
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院鄭泉水院士、呂存景副教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發(fā)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(shí)現(xiàn)冷凝液滴均勻、極小尺寸自發(fā)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(jiàn)的相變現(xiàn)象，及時(shí)排離固體表面冷凝的微小液滴對(duì)于高效相變換熱、除濕、水分收集以及防霧防霜等應(yīng)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(fā)展相關(guān)技術(shù)的一大瓶頸。超疏水表面的液滴合并彈跳為微小液滴自發(fā)脫離提供了一種可行的物理途徑；然而，實(shí)際的合并彈跳遠(yuǎn)非理想，導(dǎo)致大液滴殘留，使得傳熱性能惡化或加速結(jié)霜。如何設(shè)計(jì)具有極端高效液滴自發(fā)彈離能力的材料表面，實(shí)現(xiàn)微小冷凝液滴大小的嚴(yán)格控制，是冷凝環(huán)境下超疏水材料的研究前沿。

近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院鄭泉水院士、呂存景副教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發(fā)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(shí)現(xiàn)冷凝液滴均勻、極小尺寸自發(fā)彈離的全新思路，即超疏水薄壁柵格（TWL）表面。實(shí)驗(yàn)表明，冷凝液滴一旦生長(zhǎng)到約柵格尺寸大小，就會(huì)以100%的概率通過(guò)自發(fā)合并彈離表面；最大液滴半徑被限制在16微米，比此前報(bào)道的35微米縮小了一半多。換句話說(shuō)，TWL表面像“篩子”一樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大液滴半徑的控制，篩除所有可能潛在產(chǎn)生的大液滴。理論研究還進(jìn)一步揭示了，有望通過(guò)縮小TWL的尺度，比例性地實(shí)現(xiàn)更小、甚至納米尺度的液滴均勻彈離，催生潛在的技術(shù)變革。

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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(guò)程及合并彈跳概率
本文進(jìn)一步研究了“液滴篩”的機(jī)理，即液滴彈跳強(qiáng)化和液滴成長(zhǎng)隔離的耦合。更具體說(shuō)，該研究通過(guò)嚴(yán)格控制冷凝環(huán)境，并用顯微鏡觀測(cè)平面和TWL表面，發(fā)現(xiàn)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?cái)嘈Ч▓D1b）。觀察冷凝液滴的演化過(guò)程，不同于平面上的情況，TWL表面跨柵格時(shí)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(duì)合并過(guò)程中液體流動(dòng)的誘導(dǎo)（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(dòng)能轉(zhuǎn)化效率（圖2b）。此外，得益于薄壁柵格對(duì)生長(zhǎng)液滴的隔離，薄壁柵格內(nèi)的液滴在兩輪次的生長(zhǎng)周期內(nèi)，總能與鄰居液滴發(fā)生合并（圖2c）彈離，避免出現(xiàn)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(guò)程中很快趨于穩(wěn)定，并被嚴(yán)格限制在極小水平（圖2d）。

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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(qiáng)化效應(yīng)；（c）生長(zhǎng)隔離效應(yīng)促進(jìn)“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(shí)間的變化
清華大學(xué)航院微納力學(xué)中心2019級(jí)博士生馬晨為論文的第一作者，其共同指導(dǎo)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(xué)航院博士生陳立、博士后袁志平、王林、佟威，以及碩士畢業(yè)生褚晨蕾。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32873-1
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98783.htm


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