關於液滴撞擊到固體表面的回彈行為研究，在噴墨印刷、定向輸運、自組裝與能量收集等領域具有重要意義。表面浸潤性圖案化可以精準調控液滴的鋪展和回縮行為，但該過程通常伴隨衛星液滴的產生，對於噴墨列印等應用具有較大影響，如何精確控制衛星液滴的產生仍是挑戰。
近年來，中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室宋延林課題組圍繞浸潤性圖案化調控液滴動態行為開展了系統研究，先後利用圖案化浸潤性基底的不對稱粘附力，實現了使液滴旋轉“跳舞”、液滴定向輸運和液滴自切割（Nat. Commun., 2019, 10, 950；Adv. Mater. Interfaces, 2019, 6, 1901033；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10535-10539）。
在液滴撞擊到固體表面的過程中，常見的失穩現象之一是液滴收縮階段的Plateau-Rayleigh失穩：液滴收縮過程中邊緣的液體向內運動併產生向上的液柱，液柱將過度拉長，最終在輕微擾動下分裂成衛星液滴。由於液滴的快速收縮和液滴內部的速度梯度，使液滴在固體表面上回彈時的Plateau-Rayleigh失穩現象難以控制。研究發現，在固體表面構築非對稱的浸潤性圖案以打破液滴回縮過程的對稱性，能夠抑制Plateau-Rayleigh失穩，在抑制液滴拉長的同時使液滴回彈過程中不產生衛星液滴。由於非對稱浸潤性圖案提供的不對稱粘附力，液滴在水平方向累積的側向速度大於超疏水錶面上液滴的側向速度，而豎直方向上的縱向速度梯度小於超疏水錶面上液滴的縱向速度梯度，因而減小了其拉伸程度。研究定義了淨流速的概念，以定量探究不對稱圖案對液滴失穩程度的影響。淨流速即流過液滴中心截面的液體流速。最大淨流速能夠較好地描述液滴的非對稱回縮能力，並與液滴的失穩程度吻合。
研究利用非對稱圖案化浸潤性基底與液滴的相互作用，進一步提高了液滴能量的利用率。利用圖案化浸潤性表面的液滴壓電收集系統的輸出功率比超疏水錶面高36.5%，這為提高液滴能量的收集與利用效率提供了新思路。
近日，相關研究成果發表Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-021-27237-0）上。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、北京分子科學國家研究中心和中科院的支援。清華大學科研人員參與該工作。
具有不同浸潤性圖案的基材上液滴的回縮行為
來源：中國科學院化學研究所
