近日,清华大学航天航空学院郑泉水院士、吕存景副教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊在线发表了题为“冷凝液滴筛”(Condensation Droplet Sieve)的研究论文。该工作提出了一种实现冷凝液滴均匀、极小尺寸自发弹离的全新思路,即超疏水薄壁栅格(TWL)表面。实验表明,冷凝液滴一旦生长到约栅格尺寸大小,就会以100%的概率通过自发合并弹离表面;最大液滴半径被限制在16微米,比此前报道的35微米缩小了一半多。换句话说,TWL表面像“筛子”一样,实现对最大液滴半径的控制,筛除所有可能潜在产生的大液滴。理论研究还进一步揭示了,有望通过缩小TWL的尺度,比例性地实现更小、甚至纳米尺度的液滴均匀弹离,催生潜在的技术变革。
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图1.冷凝液滴在超疏水平面及超疏水薄壁栅格表面的分布及演化:(a)平面及薄壁栅格表面的液滴冷凝分布;(b)冷凝液滴在平面及薄壁栅格表面的尺寸分布;(c)平面(左图)及薄壁栅格表面(右图)冷凝液滴的演化过程及合并弹跳概率
本文进一步研究了“液滴筛”的机理,即液滴弹跳强化和液滴成长隔离的耦合。更具体说,该研究通过严格控制冷凝环境,并用显微镜观测平面和TWL表面,发现了两者的冷凝液滴分布呈显著不同(图1a、1b),后者的冷凝液滴集中分布在小尺度且具有明显的液滴尺寸截断效果(图1b)。观察冷凝液滴的演化过程,不同于平面上的情况,TWL表面跨栅格时的合并具有100%的弹跳概率(图1c)。这种高概率弹跳得益于薄壁栅格对合并过程中液体流动的诱导(图2a),即使在合并液滴的大小失配度较高(>45%)情形下,仍然有足够的液滴表面能-弹离动能转化效率(图2b)。此外,得益于薄壁栅格对生长液滴的隔离,薄壁栅格内的液滴在两轮次的生长周期内,总能与邻居液滴发生合并(图2c)弹离,避免出现更高失配度的液滴合并。相比于平面,TWL表面的残余液体体积在冷凝过程中很快趋于稳定,并被严格限制在极小水平(图2d)。
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图2. 冷凝液滴筛的原理及液滴弹离效果:(a)相同大小液滴在平面及TWL表面的合并弹跳VOF模拟;(b)不同液滴失配度下的合并弹跳强化效应;(c)生长隔离效应促进“孤岛”液滴的脱离;(d)平面及TWL表面的残余液体体积随冷凝时间的变化
清华大学航院微纳力学中心2019级博士生马晨为论文的第一作者,其共同指导教师为郑泉水院士和吕存景副教授,其他作者包括清华大学航院博士生陈立、博士后袁志平、王林、佟威,以及硕士毕业生褚晨蕾。该研究成果得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家海外高层次人才引进项目、博士后创新人才支持计划等的资助。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32873-1
供稿:航天航空学院
题图设计:金娅辰
编辑:李华山
审核:吕婷
2022年10月07日 16:20:52