【織物超疏水表面】圖解自然界超疏水表面與織物防水整理的奧秘——廣州莊杰化工有限公司,400-888-6775
說到超疏水表面,很多人可能已經(jīng)感覺不陌生了。在荷葉表面,圓圓的水滴滾落,不會(huì)潤濕表面,而如果是水滴從高處滴落到超疏水表面上,它們甚至還能彈跳起來。
從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳。原視頻來自:UniversityRochester
但是,如果是原本靜止的水滴,有沒有辦法能讓它自己“蹦起來”呢?最近,瑞士蘇黎世理工大學(xué)布里卡克斯(Poulikakos)教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地彈跳了起來,這一發(fā)現(xiàn)于11月4日發(fā)表在了《自然》(Nature)期刊上[1]。
從疏水表面上自己跳起來的水滴。原視頻來自:T M Schutzius et al.
水滴究竟是怎么自己蹦起來的?答案其實(shí)就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上,然后降低周圍的氣壓。當(dāng)氣壓降低到一定程度之后,水滴自己就會(huì)蹦跳起來,并且還像蹦床運(yùn)動(dòng)員一樣能夠越跳越高。
水滴為何會(huì)蹦高?
要解釋這背后的原因,還要從超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)開始說起。在自然界,最有名的疏水表面是荷葉,它的表面有細(xì)小的微觀粗糙結(jié)構(gòu),還包裹著不親水的表皮蠟,這些結(jié)構(gòu)托起水滴,減小了固體和液體的接觸面積,使水滴處于“半懸空”的狀態(tài)。
荷葉表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)。
在這里,研究者們所使用的超疏水表面也有類似的結(jié)構(gòu),當(dāng)水滴“坐”在上面時(shí),其實(shí)是刷子狀的細(xì)微突起和空隙中的空氣共同托起了它。
超疏水表面的柯西模型[2]示意圖。
在密閉環(huán)境下,當(dāng)環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時(shí),水分子的擴(kuò)散就會(huì)加劇,從而加速液體蒸發(fā)。當(dāng)然,蒸發(fā)的方向是四面八方的,水滴的下方也不例外。而當(dāng)水滴“坐”在超疏水表面上時(shí),水滴在下部的蒸發(fā)就會(huì)受到阻礙。超疏水表面的空隙是開放的,但即使如此,空氣在其中依然不能那么順暢的流動(dòng)。
這樣一來,隨著水滴的蒸發(fā),在水滴下方水蒸氣就會(huì)聚集起來,產(chǎn)生一個(gè)過壓強(qiáng)(overpressure)。這個(gè)額外的壓強(qiáng)會(huì)給水滴一個(gè)向上的力,當(dāng)壓力超過了重力加上水與基底的黏附力時(shí),水滴會(huì)被頂?shù)锰饋砝病.?dāng)然,在設(shè)計(jì)超疏水基底的時(shí)候要保證結(jié)構(gòu)足夠矮,足夠擁擠,才能使氣體流通不順暢。
水滴被彈起之后獲得了動(dòng)能,當(dāng)上升到一定高度之后自然會(huì)下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對(duì)水的黏附力極低,因此水滴在碰撞超疏水表面時(shí)不會(huì)因黏附而損失很多能量,并且會(huì)在表面彈跳[4]。
此外,碰撞時(shí)基底結(jié)構(gòu)中的水蒸氣又會(huì)助水滴“一臂之力”,從而水滴在每一次碰撞時(shí)都會(huì)獲得一個(gè)加速度,進(jìn)而越蹦越高,就像一個(gè)蹦床運(yùn)動(dòng)員一樣。
水滴的跳動(dòng)還可以帶動(dòng)懸臂進(jìn)行持續(xù)的振動(dòng):
原視頻來自T M Schutzius et al.
這個(gè)現(xiàn)象看起來不同尋常,不過它和日常生活中也能看到的另一個(gè)現(xiàn)象——萊頓弗羅斯特效應(yīng)——也有相似之處。記得小時(shí)候,東北老家還在燒炕的年代,經(jīng)常會(huì)看到水滴到爐子上,發(fā)出呲呲的聲音。水滴在到處翻滾而不會(huì)潤濕爐子,最終蒸發(fā)殆盡,這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結(jié)果。
萊頓弗羅斯特效應(yīng),在溫度遠(yuǎn)超沸點(diǎn)的灼熱表面上,蒸汽托起水滴并推動(dòng)它移動(dòng)。圖片來源:itsokaytobesmart.com
自動(dòng)除冰
除了蹦跳的水滴之外,研究者還向人們展示了更加酷炫的“冰滴飛起”現(xiàn)象。在同樣的低壓條件下,將過冷水置于超疏水表面上,隨著時(shí)間推移,過冷水結(jié)冰,而“結(jié)冰+低壓”同樣可以導(dǎo)致一個(gè)加速蒸發(fā)的過程,從而推動(dòng)冰滴,使它從表面上騰空而起。
原視頻來自T M Schutzius et al.
對(duì)于需要預(yù)防結(jié)冰的表面,這種現(xiàn)象看起來是個(gè)好消息。不過,德國馬普所的福爾默(Vollmer)教授指出,盡管這一系列工作很酷炫,但如何應(yīng)用它還是個(gè)難題。尤其在戶外的開放環(huán)境下,依靠降低氣壓來防止結(jié)冰很難操作[3]。
總之,這還是一項(xiàng)非常有趣的發(fā)現(xiàn),它也讓我們對(duì)超疏水表面上水滴的性質(zhì)有了新的認(rèn)識(shí)。