一种使液滴反弹的新方法

在许多情况下,工程师们希望尽量减少水滴或其他液体与它们落在表面的接触。目标是阻止冰是否建立在飞机机翼或风力涡轮叶片,或防止热损失一个表面在降雨期间,或防止盐积聚在表面暴露在海洋喷雾,使液滴反弹尽可能快,尽量减少接触表面的数量可以保持系统正常运转的关键。

现在,麻省理工学院的一项研究表明了一种减少液滴和表面接触的新方法。以前的尝试,包括同一团队的成员,都专注于将液滴与表面接触的时间最小化,而新方法则专注于接触的空间范围,试图将液滴在弹回之前的扩散距离最小化。

麻省理工学院研究生亨利·路易斯·吉拉尔、博士后丹·索托和机械工程教授克里帕·瓦拉纳西在《ACS Nano》杂志上发表的一篇论文中描述了这些新发现。他们解释说,这一过程的关键是在材料表面创造一系列凸起的圆环形状,这将导致下落的液滴以碗状向上飞溅,而不是在表面平流。

这项工作是瓦拉纳西和他的团队之前的一个项目的后续工作,在这个项目中,他们能够通过在表面创建凸起的脊线来减少水滴在表面上的接触时间,从而破坏了撞击水滴的扩散模式。但是新的研究更进一步,实现了液滴接触时间和接触面积的更大的减少。

例如,为了防止机翼结冰,有必要让撞击的水滴在比水结冰所需的时间更短的时间内弹回地面。早期成脊状表面成功地减少了接触时间,但瓦拉纳西说,“从那时起,我们发现这里有另一个在起作用,“这是利差下降多少反弹前和反射。”减少影响液滴的接触面积也应该有一个戏剧性的转移性能的交互影响,”瓦拉纳西说。

研究小组发起了一系列的实验,证明了环的大小正好合适,覆盖在表面,会导致水传播从一个影响液滴飞溅向上相反,形成一个碗状飞溅,向上的角度,飞溅控制通过调整高度和概要文件的戒指。如果环的大小与液滴的大小相比过大或过小,系统的效率就会降低,或者根本不起作用,但如果环的大小合适,效果就会非常显著。

结果表明,仅仅减少接触时间不足以达到最大程度的减少接触;关键是接触的时间和范围的结合。在一个轴上的接触时间图和另一个轴上的接触面积图中,真正重要的是曲线下的总面积,也就是时间和接触范围的乘积。吉拉德说,在以前的研究中,扩散的区域是“另一个没有人接触过的轴”。当我们开始这样做的时候,我们看到了一个剧烈的反应,“液滴的总时间和面积接触减少了90%。”瓦拉纳西说:“通过形成‘水碗’来减少接触面积的想法,在减少总体互动方面的效果要比单独减少接触时间大得多。”

当水滴开始在凸起的圆圈内散开时,它一碰到圆圈的边缘就开始偏转。吉拉德说:“它的动量被重新指向上方。”尽管它最终会向外扩散,但它不再在表面,因此不会冷却表面,不会结冰,也不会堵塞“防水”织物上的毛孔。

资料来源:亨利·路易斯·吉拉德、丹·索托和克里帕·瓦拉纳斯

研究人员说,戒指本身可以用不同的方法和不同的材料制成,重要的是大小和间距。在一些测试中,他们使用的是在基片上打印的三维圆环,而在另一些测试中,他们使用的是与微芯片制造类似的蚀刻工艺产生的图案的表面。其他环是通过电脑控制的塑料铣削制成的。

虽然较高速度的液滴撞击通常会对表面造成更大的破坏,但在这个系统中,较高的速度实际上提高了重定向的效率,比较慢的速度清除更多的液体。吉拉德说,这对于实际应用来说是个好消息,例如在处理相对高速的降雨方面。他说:“实际上,你走得越快,效果就越好。”

研究人员说,除了防止机翼结冰外,这个新系统还可以有广泛的应用。例如,“防水”面料会变得饱和,当水充满纤维之间的空间时就会开始渗漏,但当使用表面环处理时,面料保持排水能力的时间更长,总体表现更好,吉拉德说。他说:“通过使用环结构,改善了50%。”

这项研究得到了麻省理工学院德什潘德技术创新中心的支持。

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