研究液滴撞击到固体表面的回弹行为在喷墨印刷、定向输运、自组装与能量收集等领域都具有重要意义。表面浸润性图案化可以精准调控液滴的铺展和回缩行为，但此过程中通常伴随着卫星液滴的产生，对于喷墨打印等应用都具有较大的影响，如何精确控制卫星液滴的产生仍然是一个挑战。 

　　在科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心和中国科学院的支持下，化学研究所绿色印刷实验室宋延林课题组近年来围绕浸润性图案化调控液滴动态行为开展了系统研究。先后利用图案化浸润性基底的不对称粘附力实现了使液滴旋转"跳舞"、液滴定向输运和液滴自切割（Nat. Commun. 2019, 10, 950; Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1901033; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535-10539）。 

　　在液滴撞击到固体表面的过程中，最常见的失稳现象之一是液滴收缩阶段的Plateau-Rayleigh失稳：液滴收缩过程中边缘的液体向内运动并产生向上的液柱，液柱将过度拉长，最终在轻微扰动下分裂成卫星液滴。由于液滴的快速收缩和液滴内部的速度梯度，使得液滴在固体表面上回弹时的Plateau-Rayleigh失稳现象难以控制。该课题组研究人员发现：在固体表面构筑非对称的浸润性图案以打破液滴回缩过程的对称性，能够抑制Plateau-Rayleigh失稳，在抑制液滴拉长的同时使液滴回弹过程中不产生卫星液滴。其中，由于非对称浸润性图案提供的不对称粘附力，液滴在水平方向累积的侧向速度大于超疏水表面上液滴的侧向速度，而竖直方向上的纵向速度梯度要小于超疏水表面上液滴的纵向速度梯度，因而减小了其拉伸程度。研究人员定义了净流速的概念，以定量探究不对称图案对液滴失稳程度的影响。净流速即流过液滴中心截面的液体流速。最大净流速能够很好地描述液滴的非对称回缩能力，并与液滴的失稳程度吻合。 

　　进而，研究人员利用非对称图案化浸润性基底与液滴的相互作用，进一步提高了液滴能量的利用率。利用图案化浸润性表面的液滴压电收集系统的输出功率要比超疏水表面高36.5%，这为提高液滴能量的收集与利用效率提供了新的思路。该研究成果近日发表于Nature Communications期刊上（Nat. Commun. 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-27237-0），第一作者是博士生赵志鹏，通讯作者是宋延林研究员和李会增博士，以及清华大学冯西桥教授。 

具有不同浸润性图案的基材上液滴的回缩行为 

 

绿色印刷院重点实验室

2021年12月6日

来源：中科院化学所