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水的冷凝是生活中常见的相变现象，及时排离固体表面冷凝的微小液滴对于高效相变换热、除湿、水分收集以及防雾防霜等应用具有重要意义。由于界面黏附，越小尺度的液滴越难排离，成为发展相关技术的一大瓶颈。超疏水表面的液滴合并弹跳为微小液滴自发脱离提供了一种可行的物理途径；然而，实际的合并弹跳远非理想，导致大液滴残留，使得传热性能恶化或加速结霜。如何设计具有极端高效液滴自发弹离能力的材料表面，实现微小冷凝液滴大小的严格控制，是冷凝环境下超疏水材料的研究前沿。
近日，清华大学航天航空学院郑泉水院士、吕存景副教授团队在《自然·通讯》 （Nature Communications） 期刊在线发表了题为“冷凝液滴筛” （Condensation Droplet Sieve） 的研究论文。该工作提出了一种实现冷凝液滴均匀、极小尺寸自发弹离的全新思路，即超疏水薄壁栅格（TWL）表面。实验表明，冷凝液滴一旦生长到约栅格尺寸大小，就会以100%的概率通过自发合并弹离表面；最大液滴半径被限制在16微米，比此前报道的35微米缩小了一半多。换句话说，TWL表面像“筛子”一样，实现对最大液滴半径的控制，筛除所有可能潜在产生的大液滴。理论研究还进一步揭示了，有望通过缩小TWL的尺度，比例性地实现更小、甚至纳米尺度的液滴均匀弹离，催生潜在的技术变革。
图1.冷凝液滴在超疏水平面及超疏水薄壁栅格表面的分布及演化：（a）平面及薄壁栅格表面的液滴冷凝分布；（b）冷凝液滴在平面及薄壁栅格表面的尺寸分布；（c）平面（左图）及薄壁栅格表面（右图）冷凝液滴的演化过程及合并弹跳概率
本文进一步研究了“液滴筛”的机理，即液滴弹跳强化和液滴成长隔离的耦合。更具体说，该研究通过严格控制冷凝环境，并用显微镜观测平面和TWL表面，发现了两者的冷凝液滴分布呈显著不同（图1a、1b），后者的冷凝液滴集中分布在小尺度且具有明显的液滴尺寸截断效果（图1b）。观察冷凝液滴的演化过程，不同于平面上的情况，TWL表面跨栅格时的合并具有100%的弹跳概率（图1c）。这种高概率弹跳得益于薄壁栅格对合并过程中液体流动的诱导（图2a），即使在合并液滴的大小失配度较高（>45%）情形下，仍然有足够的液滴表面能-弹离动能转化效率（图2b）。此外，得益于薄壁栅格对生长液滴的隔离，薄壁栅格内的液滴在两轮次的生长周期内，总能与邻居液滴发生合并（图2c）弹离，避免出现更高失配度的液滴合并。相比于平面，TWL表面的残余液体体积在冷凝过程中很快趋于稳定，并被严格限制在极小水平（图2d）。
图2. 冷凝液滴筛的原理及液滴弹离效果：（a）相同大小液滴在平面及TWL表面的合并弹跳VOF模拟；（b）不同液滴失配度下的合并弹跳强化效应；（c）生长隔离效应促进“孤岛”液滴的脱离；（d）平面及TWL表面的残余液体体积随冷凝时间的变化
清华大学航院微纳力学中心2019级博士生马晨为论文的第一作者，其共同指导教师为郑泉水院士和吕存景副教授，其他作者包括清华大学航院博士生陈立、博士后袁志平、王林、佟威，以及硕士毕业生褚晨蕾。该研究成果得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家海外高层次人才引进项目、博士后创新人才支持计划等的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32873-1
来源：清华大学新闻网
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