近日，中國科學技術大學吳東教授、李二強教授，香港城市大學王鉆開教授團隊通過構建光滑注液多孔表面，提出促進小球入水產生空腔與提高流動減阻的新方法。相關研究成果以“Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces”為題，于2022年1月17日在線發表在Advanced Science上。

降低固體在液體中移動阻力是通過減少摩擦實現減阻節能的典型問題，而具有自由滑移表面的球體代表了可最小化運動阻力的理論極限。仿生豬籠草設計的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surfaces，簡稱SLIPSs)具有良好的損傷自修復性，在抗冰、抗污漬等方面有著諸多應用，且不相溶液體在其上將形成可滑移液液界面。基于此，研究團隊使用飛秒激光可控微納加工技術在不銹鋼小球表面生成微孔陣列，并注入低表面能氟素液體獲得SLIPS小球用于入水問題研究。有趣的是，相比于相同接觸角的干燥疏水小球，SLIPS小球入水更易產生空腔及實現流動減阻。

圖1. (a) SLIPS小球制備流程，(b)飛秒激光結構化小球表面掃描電鏡微觀形貌

圖2. 疏水球入水（左）和 具有相同接觸角與撞擊速度的SLIPS小球入水（右）典型過程

圖3. 小球入水和液滴撞擊中液膜早期鋪展的統一尺度律

為更好地對實驗結果進行可視化和定量分析，研究團隊通過引入小球與液滴間曲率比，成功將液滴撞擊產生皇冠和小球入水形成空腔兩類問題直接關聯，建立了液滴撞擊和小球入水兩類問題中液膜早期鋪展的統一尺度律。基于此，可定量計算入水問題中液膜鋪展速度。

圖4. 粘度比對皇冠形成和空腔生成的影響

進一步，研究團隊拓展了前人在移動接觸線問題中關于潤濕轉換臨界毛細數的理論(Qin & Gao, J. Fluid Mech., 2018, 844, 1026-1037)，結合上述計算的液膜鋪展速度，給出了不同粘度潤滑油膜SLIPS小球入水產生空腔的臨界速度預測公式，并通過實驗進行了驗證。得益于潤滑油相粘度遠高于空氣，較之具有相同接觸角的干燥疏水球，SLIPS小球可在更廣參數范圍內產生空腔、實現流動減阻。

圖5. SLIPS小球可在更廣參數范圍內降低水下運動小球的阻力系數

本工作創新地引入曲率比將小球入水和液滴撞擊兩類問題相關聯，從潤濕轉換的角度提出一種促進小球入水產生空腔的新策略，有望為水下減阻、仿生界面設計和移動接觸線等應用與科學問題提供新思路。

論文的第一作者為中國科學技術大學精密機械與精密儀器系副研究員朱蘇皖和近代力學系博士生吳濤，通訊作者為中國科學技術大學吳東教授、李二強教授和香港城市大學王鉆開教授。合作者為中國科學技術大學褚家如教授、胡衍雷教授和李家文副教授。本研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

WILEY

論文信息：

Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces

Suwan Zhu, Tao Wu, Yucheng Bian, Chao Chen, Yiyuan Zhang, Jiawen Li, Dong Wu*, Yanlei Hu, Jiaru Chu, Erqiang Li*, Zuankai Wang*

Advanced Science

DOI :10.1002/advs.202103568

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