超美!一滴水落下后,竟转起了圈

更新日期:2019-03-13
环球科学ScientificAmerican


视频中这些令人眼花缭乱的图案,竟都出自一个再普通不过的过程——一滴水落在平面上。在最新的《自然-通讯》杂志上,清华大学冯西桥团队与中科院化学研究所宋延林团队合作,让水滴拥有多种美妙的舞姿。

想象一下,当一滴水滴落在地面,会发生什么?取决于地表材料的化学性质与结构,水滴或是飞溅散开,或是弹回。具体而言,当固体表面疏水、黏性弱时,液滴会保持球状弹起;相反,与亲水、黏性强的表面碰撞时,液滴会四处飞溅。

如果与水滴接触的表面并非均质,而是不同区域具有截然不同的亲水性,又会发生什么?

出于这样的想法,研究团队设计出一种各向异性的平板:首先,他们将一种氟化材料覆盖在氧化铝板上,形成类似于不粘锅的疏水涂层;随后,用紫外光照射铝板的特定区域(如下图的紫色区域),被照射的区域变得极度亲水。

借助同步高速成像系统,研究人员发现,当水滴准确落在图案中心,与亲水表面接触的水分子会向四周散开,而与疏水表面碰撞的部分则快速弹起。因此,由于不同部位的受力状况不同,水滴内部产生扭曲力,宏观表现就是水滴“转”了起来,其转速可达每分钟7300次。



取决于研究团队绘制的图案,水滴不仅可以旋转,还能产生卷曲、偏转等多种效果。

当然,这项研究除了好看,还有更重要的作用:它还实现了对液体运动的控制,这在自清洁表面、防冰冻、材料混合等领域有着潜在的应用前景。此外,这项研究还为水力发电等液体动能的利用提供了新思路。在论文中,作者详尽分析了其力学过程,感兴趣的同学可以点击查看。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08919-2

参考链接:

https://www.sciencemag.org/news/2019/03/these-falling-drops-don-t-splash-they-spin

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