一滴液体静静的停在超疏水表面上,然后,它缓缓漂浮起来,随后落下再弹起,然后越弹越高……这种“反物理常识”的现象是不是很不可思议?
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瑞士苏黎世联邦理工学院的Tom Schutzius等人也觉得这一现象很神奇。当他们第一次看到水滴漂浮、弹跳然后越跳越高,他们也对这种明显不符合物理规律的弹跳感到极为惊讶。随后,Schutzius团队开始研究这一有趣现象背后的科学。
利用高速成像技术,研究人员对刚性表面的液滴运动进行跟踪。他们发现,液滴在超疏水表面(涂有特氟隆类材料微观硅柱网格)的运动轨迹与运动员在蹦床上的动作极为相似。起初,随着周围压力的降低,原本处于静止状态的水滴会缓缓漂浮起来,随后落下再弹起,与表面连续撞击,最终高速弹走。“目前,我们只是在极限的人造实验室条件下对此进行研究,但假如能够用于其它表面工程领域,如抗结冰表面等,这将非常有趣,”Schutzius强调道。
这种奇怪的现象来自水滴的快速汽化,研究人员不断降低压力,试图吸走液滴与表面之间的空气,但事实与Schutzius所期望的完全相反,空气并没有离开。反而是液滴底部的水蒸气被空气阻拦,导致液滴下方的压力升高。当压力到达某个点,液滴浮起,并开始弹跳。如果进一步降低压力,液滴的蒸发也变得更快,弹跳的也就越高。
至于液滴结冰并脱离材料表面的现象,Schutzius等人认为,随着水分蒸发,液滴的剩余部分被过度冷却,以至于温度降到了冰点以下。当液滴最终结冰的时候,温度反而要上升到0度。温度的上升使得蒸发变快,下方压力升高,促使悬浮现象发生,并且让结冰的液滴自动脱离材料表面。
英国牛津大学的Julia Yeomans评论道,“这种漂亮的现象中,液滴的撞击令人惊讶。”她本人并没参与这项研究。“在过去的几年中,我们发现液滴处于凝聚态时会弹跳着离开表面,形状像极了煎饼。下一步的主要目标是将这种应用从实验室条件下转移到真实的环境中,以保持表面干燥以及制备抗结冰表面。”
这是一个相当严峻的挑战,Schutzius强调道,特别是很难制备足够斥水的材料。“由于超疏水表面可能不够耐用,因此还没有大范围的应用。还需要在材料方面多做些工作。”
1. http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7576/full/nature15738.html
2. http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/11/superhydrophobic-surface-droplet-bounce
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