固液接觸行為與結冰、冷凝等現象息息相關，并且液滴回彈行為的調控在航空航天、農業生産、熱管理等領域具有廣泛的應用。例如，在高溫表面上希望抑制液滴的回彈（抑制萊登弗羅斯特效應）以增強冷卻效率，在農藥噴灑過程中不希望液滴在植物表面反彈導緻農藥利用率降低。相反，為了實現表面自清潔和防冰，需要增強液滴的多次回彈以去除更多的污染物或促進液滴脫離表面以延遲結冰。通常，表面結構和韋伯數直接影響着液滴的動态行為，并且液滴連續回彈次數是表征動态潤濕性的重要參數。因此，液滴連續回彈行為與表面結構之間的相關性對于基于結構設計的表面動态潤濕性調控至關重要，有必要揭示在寬韋伯數範圍内表面結構參數對液滴連續回彈次數的影響規律。并且厘清液滴連續回彈次數的影響因素和影響機制，能夠為表面動态潤濕性調控和新型仿生表面開發提供科學基礎和理論依據。
研究團隊利用激光燒蝕和表面改性技術，通過調整激光掃描間距，在鋁基闆上制備了一系列不同結構間距的超疏水表面，采用高速成像技術在寬韋伯數範圍内拍攝液滴在不同結構間距的超疏水鋁表面上的連續回彈過程。根據液滴在不同結構間距鋁表面的回彈行為特征，特别是根據液滴在回彈離開表面的過程中是否産生殘留，将結構間距由小到大連續劃分為釘紮區、黃金區和粘附區，發現了液滴連續回彈次數的黃金分割現象。
圖1 黃金區中等結構間距表面的液滴連續回彈次數更多，并且沒有液滴殘留現象
對于釘紮區小間距微結構表面，小的固液接觸面積加劇了液滴與表面接觸的動壓力，緻密的凸起和溝槽結構增大了液滴鋪展和收縮的橫向阻力，進而增強了液滴在表面上的釘紮效應并可導緻液滴的不完全回彈。對于黃金區的中等間距微結構表面，降低的結構密度削弱了液滴在表面上的釘紮效應，減少了液滴在連續回彈過程中的能量耗散，大大提高了液滴的連續回彈次數。随着結構間距繼續增加，對于粘附區的大間距微結構表面，由于激光燒蝕線過于稀疏，在未被激光燒蝕的區域産生了更大的親水平坦區塊，增強了表面對液滴的親和力，導緻了液滴在表面上的粘附效應，抑制了液滴的連續回彈。
圖2 黃金區中等結構間距同時避免了小結構間距的釘紮效應和大結構間距的粘附效應
基于液滴連續回彈過程中的能量損耗，分析了液滴的釘紮耗散、粘性耗散和粘附耗散，并通過液滴的能量恢複系數推導出液滴連續回彈次數的表達公式，建立了理論模型。對于超疏水表面，通常期望制備更精細緻密的微結構以降低固液接觸面積，從而增強表面的拒液性，促進液滴的脫附，而液滴連續回彈的黃金分割調控準則颠覆了這一認知。通過結構參數優化設計，平衡液滴在超疏水表面的釘紮效應和粘附效應，降低液滴的能量耗散，有利于促進液滴的連續回彈和快速脫附。建立的液滴連續回彈次數與韋伯數和結構間距的關聯映射可為超疏水結構設計提供依據，有望為在航空航天、交通運輸、能源裝備、流體控制等領域實現表面防冰、自清潔、高效熱管理、液滴控制啟發新型策略。
圖3 黃金區中等結構間距的液滴能量耗散相對最小，有利于液滴的連續回彈；中等結構間距和低韋伯數有利于實現“液滴蹦床”特性
研究工作受國家自然科學基金原創探索計劃項目、重大研究計劃重點項目、傑出青年科學基金項目的資助。相關論文“Golden section criterion to achieve droplet trampoline effect on metal-based superhydrophobic surface”在線發表在Nature Communications上。Betvictor中文版博士生趙晟騰為論文的第一作者，馬志超教授為論文的通訊作者，任露泉院士和趙宏偉教授給予了理論指導和技術➿⚽✨➿。
論文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42375-3
