近日，中國科學技術大學吳東(dong) 教授、李二強教授，香港城市大學王鑽開教授團隊通過構建光滑注液多孔表麵，提出促進小球入水產(chan) 生空腔與(yu) 提高流動減阻的新方法。相關(guan) 研究成果以“Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces”為(wei) 題，於(yu) 2022年1月17日在線發表在Advanced Science上。

降低固體(ti) 在液體(ti) 中移動阻力是通過減少摩擦實現減阻節能的典型問題，而具有自由滑移表麵的球體(ti) 代表了可最小化運動阻力的理論極限。仿生豬籠草設計的光滑注液多孔表麵(Slippery liquid-infused porous surfaces，簡稱SLIPSs)具有良好的損傷(shang) 自修複性，在抗冰、抗汙漬等方麵有著諸多應用，且不相溶液體(ti) 在其上將形成可滑移液液界麵。基於(yu) 此，研究團隊使用飛秒激光可控微納加工技術在不鏽鋼小球表麵生成微孔陣列，並注入低表麵能氟素液體(ti) 獲得SLIPS小球用於(yu) 入水問題研究。有趣的是，相比於(yu) 相同接觸角的幹燥疏水小球，SLIPS小球入水更易產(chan) 生空腔及實現流動減阻。

圖1. (a) SLIPS小球製備流程，(b)飛秒激光結構化小球表麵掃描電鏡微觀形貌

圖2. 疏水球入水（左）和 具有相同接觸角與(yu) 撞擊速度的SLIPS小球入水（右）典型過程

圖3. 小球入水和液滴撞擊中液膜早期鋪展的統一尺度律

為(wei) 更好地對實驗結果進行可視化和定量分析，研究團隊通過引入小球與(yu) 液滴間曲率比，成功將液滴撞擊產(chan) 生皇冠和小球入水形成空腔兩(liang) 類問題直接關(guan) 聯，建立了液滴撞擊和小球入水兩(liang) 類問題中液膜早期鋪展的統一尺度律。基於(yu) 此，可定量計算入水問題中液膜鋪展速度。

圖4. 粘度比對皇冠形成和空腔生成的影響

進一步，研究團隊拓展了前人在移動接觸線問題中關(guan) 於(yu) 潤濕轉換臨(lin) 界毛細數的理論(Qin & Gao, J. Fluid Mech., 2018, 844, 1026-1037)，結合上述計算的液膜鋪展速度，給出了不同粘度潤滑油膜SLIPS小球入水產(chan) 生空腔的臨(lin) 界速度預測公式，並通過實驗進行了驗證。得益於(yu) 潤滑油相粘度遠高於(yu) 空氣，較之具有相同接觸角的幹燥疏水球，SLIPS小球可在更廣參數範圍內(nei) 產(chan) 生空腔、實現流動減阻。

圖5. SLIPS小球可在更廣參數範圍內(nei) 降低水下運動小球的阻力係數

本工作創新地引入曲率比將小球入水和液滴撞擊兩(liang) 類問題相關(guan) 聯，從(cong) 潤濕轉換的角度提出一種促進小球入水產(chan) 生空腔的新策略，有望為(wei) 水下減阻、仿生界麵設計和移動接觸線等應用與(yu) 科學問題提供新思路。

論文的第一作者為(wei) 中國科學技術大學精密機械與(yu) 精密儀(yi) 器係副研究員朱蘇皖和近代力學係博士生吳濤，通訊作者為(wei) 中國科學技術大學吳東(dong) 教授、李二強教授和香港城市大學王鑽開教授。合作者為(wei) 中國科學技術大學褚家如教授、胡衍雷教授和李家文副教授。本研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研業(ye) 務費、中國科學院戰略性先導科技專(zhuan) 項等項目的支持。

WILEY

論文信息：

Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces

Suwan Zhu, Tao Wu, Yucheng Bian, Chao Chen, Yiyuan Zhang, Jiawen Li, Dong Wu*, Yanlei Hu, Jiaru Chu, Erqiang Li*, Zuankai Wang*

Advanced Science

DOI :10.1002/advs.202103568

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