液滴“芭蕾”：不对称粘附图案驱动液滴旋转

莫听穿林打叶声，

何妨吟啸且徐行。

竹杖芒鞋轻胜马，

谁怕？

一蓑烟雨任平生。

雨滴“穿林打叶”，这种液滴碰撞到固体表面的现象非常常见，除了能给文人墨客带来灵感，在喷墨打印等众多领域也起着至关重要的作用。自1876年英国科学家Worthington开创了液滴撞击动力学以来，人们对固液相互碰撞行为的研究已经经历了一百多年。随着微加工技术的发展，各种各样的功能界面被用来对液滴碰撞行为进行调控，包括具有毫米级凸起的超疏水表面、微米锥阵列超疏水表面等等。但由于液滴在固体表面的碰撞具有时间短、形变大及形式多等特点，对液滴碰撞行为的精确调控一直是一个难题。

非均一浸润性基底兼具亲水/高粘附区域对液体的粘附性和疏水/低粘附区域对液体的排斥性，能够对液滴行为及形貌进行更精确和复杂的调控。中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组近年来在非均一浸润性方面进行了一系列的研究，取得了重要的科研进展（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 9060-9065; Adv. Funct. Mater., 2018, 201800448），并发展了纳米绿色印刷制版等应用技术。最近，宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等合作，通过非均一浸润性基底诱导液滴碰撞过程，实现了液滴碰撞后的高速旋转运动，使液滴在空中跳起了“芭蕾”。

图1. 非均一浸润性基底诱导液滴碰撞后的旋转行为（图片来源于作者）

他们系统研究了非均一浸润性表面的对称性对液滴碰撞行为的影响，发现通过控制表面浸润性图案的旋转对称性和镜面对称性，可以实现液滴包括旋转、翻滚、竖直回弹等多种行为。通过图案优化，液滴旋转最高可达7300转每分。这种液滴碰撞前后发生运动形式的改变，与经典的“牛顿碰撞定律”形成了鲜明的对比。此外，液滴形成旋转回弹的过程中，平动能可以转化为转动能，并可用于驱动基底反向转动，实现了液滴能量的收集与利用。

图2. a,b 液滴转动速度及形貌控制; c,d 液滴驱动器（图片来源于作者）

这一成果近期发表在Nature Communications上，并被Nature选为研究亮点，以“Putting a spin on droplets”为题进行了报道。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Spontaneous droplets gyrating via asymmetric self-splitting on heterogeneous surfaces

Huizeng Li, Wei Fang, Yanan Li, Qiang Yang, Mingzhu Li, Qunyang Li, Xiqiao Feng, Yanlin Song

Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2

导师介绍

宋延林

https://www.x-mol.com/university/faculty/26752

课题组网站

http://ylsong.iccas.ac.cn/