為什麼玫瑰花就不會?而當接觸荷葉表面時,水會形成水珠滾落下來

博科園 發佈 2020-01-01T12:38:45+00:00

當水滴接觸荷葉表面時,它們會形成珠子並滾落下來,沿途「收集」灰塵顆粒。相反,當液體接觸到可以潤濕的親水性表面時,它會擴散到表面,形成一個液體水坑,需要很長時間才能蒸發。

當水滴接觸荷葉表面時,它們會形成珠子並滾落下來,沿途「收集」灰塵顆粒。相反,玫瑰花瓣上的水滴也會形成珠子,但會固定在花瓣表面。聖路易斯華盛頓大學一位機械工程師將這兩個概念結合起來,找到了一種更有效的方法,讓液滴從表面蒸發。麥凱爾維工程學院機械工程與材料科學助理教授帕特里夏·韋森塞(Patricia Weisensee)最初計劃在表面上建立一種圖案。

既能排斥液體(類似荷葉),也能針狀液滴(類似玫瑰花瓣),以影響液滴撞擊時(如下雨)的濕潤。就像荷葉一樣,當水撞擊到驅避性或超疏水的表面時,液滴很容易反彈,就像雨水打在處理過的擋風玻璃上一樣。在傳熱和蒸發過程中,由於水與表面的接觸時間較短,這些超疏水表面的效率很低。相反,當液體接觸到可以潤濕的親水性表面時,它會擴散到表面,形成一個液體水坑,需要很長時間才能蒸發。

Weisensee希望創造一種既具有排斥特性又具有潤濕特性的表面,從而產生較小的亞液滴,結合了這兩種表面的優點:液滴在潤濕表面上的釘扎和蒸發,而不會有淹沒整個排斥表面的風險。然後,觀察了液滴的行為,以了解更多關於蒸發作為高科技電子設備熱管理冷卻方法的知識,其研究結果發表在《Langmuir》上。研究對加熱雙疏水表面上蒸發的單個水滴熱輸運進行了實驗研究,該表面由具有強接觸線釘扎圓形疏水圖案的超疏水基體組成。

將體積為8μL的單個水滴放置在預熱表面,並能其在開放的實驗室環境中蒸發。研究了襯底取向(水平和垂直)對蒸發動力學的影響。利用光學和紅外成像技術,研究了蒸發液滴的流體動力學和傳熱特性。總體而言,垂直表面的蒸發效率更高,總傳熱速率更高,蒸發時間最多縮短10%。與直覺相反的是,在垂直表面上,儘管底部有較高接觸角和預期的楔形效應,但襯底-液滴介面熱流密度在下部接觸線附近高於上部區域。

同時,液滴下部的溫度較低,研究人員將這種明顯異常歸因於明顯的加熱和蒸發之間的「競爭」作用,以及與水平表面相比,修改後的對流流動特徵(包括液滴和氣相內的對流特徵)。研究還表明,當上下接觸線的接觸角在接近蒸發過程結束時變得相等時,熱特徵變得均勻。來自這項研究的見解可以指導噴霧冷卻裝置的設計,或者用於在基於蒸發製造技術和噴墨列印過程中改變顆粒沉積圖案。

博科園|研究/來自:聖路易斯華盛頓大學

參考期刊《Langmuir》

DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02853

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