科学家让水滴跳起“芭蕾”

水滴与飞机相撞后的一系列进化图片来源:宋彦林研究小组

(记者程)中国科学院化学研究所与清华大学合作，通过对固体表面的特殊设计，实现了液滴撞击后的高速旋转。这项研究发表在3月5日的《自然通讯》在线版上。

固液碰撞行为控制在喷墨打印、农药喷洒和防冰领域发挥着重要作用。与固体之间的碰撞不同，液滴在与固体表面碰撞后的几毫秒内会发生很大程度的变形，碰撞后可能会出现沉积、反弹和破裂等各种结果，这使得控制液滴碰撞行为非常困难。

中国科学院化学研究所的研究员宋彦林告诉《中国科学日报》，研究人员通过在疏水性低附着力表面上构建一个特殊图案的高附着力区域来诱导液滴碰撞行为，导致液滴在碰撞后形成各向异性的回缩。在收缩过程中，在液滴内部产生角动量，形成旋转运动并表演“芭蕾”。

发现基底表面上润湿图案的对称性在液滴的旋转弹跳行为中起关键作用。通过调整其旋转对称性和镜面的对称性，可以实现旋转、翻滚和垂直反弹等多种行为。在此基础上，他们提出了精确控制液滴碰撞行为的一般规则和软物质碰撞理论。

更重要的是，通常撞击疏水表面的液滴会收缩，最终从表面反弹或溅射，它们的行为仍然符合牛顿碰撞定律。然而，本研究发现碰撞前后液滴的运动形式由平移变为旋转，突破了经典“牛顿碰撞定律”的描述范畴。

宋彦林说，通过条件的优化，液滴的转速可以达到7300转/分。同时，液滴的高速旋转可以驱动固体基底的定向旋转。基于这一原理，实验者开发了一种新型的液滴驱动器，它可以用一个液滴驱动固体以每分钟50以上的速度旋转。未来，该团队将重点研究使用液体驱动的新型水力发电。

相关文件信息:DOI:10.1038/s 1467-019-08919-2

《中国科学日报》(2019-03-07第三版综合)