紧凑的纳米级纹理减少了弹跳液滴的接触时间

由于其防水功能，许多天然表面可以迅速脱落水滴。1945 年，科学家Cassie 和 Baxter将天然表面的防水功能与其表面纹理系起来。因此，使用低固体分数纹理(表示为 Φ s)是设计防水表面的关键原则. 在这项工作中，Lin Wang 和宾夕法尼亚州立大学的材料科学、生物医学工程和机械工程科学家团队通过减少高固体分数表面(即 Φs ~ 0.25 至 0.65)上弹跳液滴的接触时间来减少接触时间。表面纹理尺寸到纳米级。他们展示了纹理尺寸低于 100 纳米的高固体分数表面与大于 300 纳米的纹理尺寸相比，可以将弹跳液滴的接触时间减少约 2.6 毫秒 (ms)。在固体表面上观察到的纹理和尺寸相关的接触时间减少是相对于表面润湿性的现有理论的第一个研究结果。王等人。将纳米级表面上液滴接触的减少归功于主要三相接触线张力。基于压力稳定性实验，该团队进一步展示了表面固体部分如何受到能够承受雨滴冲击的昆虫的生物启发。结果现在发表在《科学进展》上。

纳米级表面在对昆虫生存很重要的生物有机体中具有多种作用，例如蛾眼的抗反射特性、蚊子的防雾特性、蝉的自清洁技术和蜻蜓的防生物污损。飞虫身上的雨滴快速脱离对它们的生存也至关重要。例如，雨滴对蚊子的影响持续时间约为 0.5 到 10 毫秒;结合主动和被动液滴脱落机制的时间框架。植物和蝴蝶翅膀还可以保持微尺度模式，将液滴的影响分解成更小的碎片，以减少液滴接触时间。然而，材料科学家仍然必须了解拒水昆虫表面的高固体成分和纳米级纹理如何导致雨滴在撞击时快速脱离。为了探索纹理尺寸效应和液固相互作用，Wang 等人。设计了一系列仿生昆虫状纹理表面，用硅烷单层涂覆它们以诱导表面疏水性(憎水性质)，并进行了一系列实验。

在实验过程中，该团队用测试液滴保持了Cassie-Baxter 状态(异质表面润湿)，并比较了弹跳水滴在纹理表面上的接触时间。纹理尺寸小于 300 nm 的表面显示出弹跳液滴的接触时间减少。与现有的表面润湿理论相比，固体表面上液滴接触的纹理尺寸依赖性减少是首次研究。

理论上，可以相对于水的密度和表面张力来预测接触时间。当液滴撞击纹理表面时，它会扩散到最大直径并从表面缩回，很像“液体弹簧”。液体弹簧。同时，任何来自液固相互作用的贡献都可以忽略不计。然而，科学家们不能忽视高固体分数纹理表面上的液固相互作用，其中 Φ s等于 0.44，这是由于在液滴下方形成三相接触线会产生额外的能量，从而影响它们的弹跳能量。为此，Wang 等人。考虑了三相接触线张力 (τ)，由 Gibbs 在 1870 年代首次引入，其中 τ 的实验测量取决于所研究的特定系统。

纹理表面上弹跳液滴的运动学和表面的压力稳定性

为了进一步了解液滴撞击纳米级表面的接触时间的减少，Wang 等人。基于扩散和收缩过程研究了弹跳液滴的运动学。虽然液滴在不同表面上的扩散速度相似，但在回缩阶段，液滴需要更长的时间才能从具有较高固体分数的表面完全回缩。该工作显示增加的固体分数如何因此增加收缩时间。例如，超疏水黑硅表面上的液滴可以以一致的速度缩回，以便液滴以尽可能快的速度后退。因此，出乎意料的是，Wang 等人。注意到固体分数为 0.44 的100 nm表面纹理上的超疏水弹跳行为

为了了解结果，科学家们随后开发了一种方法，通过系统地测量工程表面上的前进和后退接触角来量化接触角滞后。具有较高固体分数的表面具有延迟的液滴回缩，明显偏离了预期的超疏水弹跳行为。因此，了解为什么防水昆虫表面不采用具有较低固体成分的纹理来更有效地去除水分是很有趣的。为此，Wang 等人。研究了当水滴撞击固体表面时，纹理表面对撞击水滴的压力稳定性，经历了两种冲击压力模式。第一种模式是液固接触面的水锤压力第二种模式是铺展阶段的动态压力。因此，该团队表明，高固体含量是昆虫承受雨滴冲击压力以使其完全脱落的重要要求。

通过这种方式，Lin Wang 及其同事首次展示了高固体表面上的纳米级纹理如何减少弹跳液滴的接触时间。研究结果揭示了一种前所未有的策略，可以减少在固体表面上弹跳液滴的接触时间。该团队在高固体分数表面(Φ s = 0.44)上实现了超疏水弹跳行为，纳米级纹理尺寸接近 100 nm。这些发现揭示了昆虫如何逃避雨滴的高速冲击。该研究为高固体功能纹理的必要性提供了实验证据，以对抗雨滴的冲击压力。从技术上讲，一种紧凑的纳米级纹理材料，可以排斥液滴的高速冲击 减少接触时间将在促进防污个人防护装备、昆虫大小的飞行机器人和小型无人机方面有一系列应用。

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