提出纳米液滴接触时间遵循的新的标度关系
记者4月8日从华北电力大学获悉，该校能源动力与机械工程学院本科生吕书航和博士生谢芳芳作为共同第一作者，近日美国化学学会旗下权威期刊《物理化学快报》刊发论文，揭示出“尺度降低诱发的粘性效应增强”是纳米液滴接触时间偏离现有理论的根本原因，通过引入粘性效应，提出了纳米液滴接触时间遵循的新的标度关系，为后续研究及实际应用提供了理论基础。
吕书航是该校16级本科生，在大二时主动联系工程热物理研究中心教授王晓东，在其指导下参与“纳米尺度液滴撞击”的研究。他从零基础开始，以文献调研与阅读为起步，经过更深入的文献研究，以及与老师和师姐的反复讨论，建立了数个不同的理论模型，又依次推翻，最终建立出一套科学合理的理论模型，清晰地阐释了该现象的产生机理，形成了完整的建模理论工作。
据悉，纳米镀膜、纳米打印及纳米喷涂等下一代高新技术对掌握“纳米尺度液滴的撞击动力学”提出了迫切需求，同时纳米尺度液滴撞击动力学特性的深刻认识也会积极推动防结冰、自清洁、喷雾冷却等现有技术的变革。该文着重于从接触时间的角度探讨纳米液滴撞击超疏水表面的反弹行为。宏观尺度下的液滴撞击研究表明，液滴撞击超疏水表面并发生反弹的接触时间遵循在较广撞击速度区间内接触时间不随液滴的撞击速度变化的规律。并且，研究者以对液滴铺展回缩过程的主要作用力分析为基础，建立了宏观尺度下液滴接触时间的标度定律。宏观尺度下液滴的撞击模型中，液滴的反弹由惯性力和毛细力主导，而该过程中粘性力作用可忽略。
此次发表的论文通过对纳米尺度下液滴撞击超疏水表面接触时间的定量分析，证实宏观尺度下液滴的接触时间标度定律在纳米尺度下已不适用。同时，经过对纳米液滴撞击过程中液滴内部速度场及反弹液滴恢复系数的分析，进一步证明纳米液滴撞击过程中粘性力作用不可忽略。以该理论突破为基础，提出粘性力、惯性力、毛细力共同主导纳米液滴的撞击过程，最终，通过无量纲分析方法，对宏观尺度下液滴的接触时间模型进行修正，建立了适用于纳米尺度下液滴撞击超疏水表面接触时间的标度定律，并通过不同半径、不同物性液滴撞击不同润湿性表面的分子动力学模拟对该定律进行了验证。同时，还发现高速撞击下纳米液滴的接触时间会出现阶梯式下降，其原因为纳米尺度下液膜的震动，导致多个不规则孔洞出现，从而导致的非对称收缩，以及液滴底部蒸汽对液滴的提升作用。
该研究通过分子动力学模拟揭示了纳米液滴反弹的内在机理，提出了纳米尺度下反弹液滴接触时间的标度定律，对于纳米涂覆、喷墨打印、3D打印、飞机防结冰等工程应用均具有重要意义。此外，该模型也能够帮助理解液滴尺度减小至纳米尺度后，液滴动力学行为和宏观尺度的区别。本文中对于纳米液滴撞击过程内在机理的分析也为未来纳米液滴撞击动力学相关研究提供了参考。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00788
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