科研進(jìn)展
青海鹽湖所發(fā)現(xiàn)動態(tài)液滴中氣液界面演化新路徑和新機制
近日，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所等單位的研究團(tuán)隊在氣液界面演化的實驗研究方向取得新進(jìn)展，研究結(jié)果以“Dual Pathways of Air Cavity Evolution during Droplet Impact on Superhydrophobic Nanoporous Surfaces”為題發(fā)表于物理學(xué)頂刊Physical Review Letters（Nature Index和中國科學(xué)院一區(qū)TOP），青海鹽湖研究所為第一單位，趙彬鈺研究員為通訊作者，科研助理周謐（已在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位）、助理研究員耿占立、碩士生張飛揚為共同第一作者，共同第一作者還包括德國萊布尼茨高分子所碩士畢業(yè)生林渝竣。
固液界面相互作用涉及典型的多尺度界面現(xiàn)象與流動過程，液滴撞擊固體表面時會沿中心軸產(chǎn)生圓柱形氣腔，并在液滴下方捕獲一層空氣薄膜。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為這層氣膜在影響撞擊結(jié)果中起關(guān)鍵作用。之前的研究僅發(fā)現(xiàn)慣性主導(dǎo)的軸向內(nèi)爆導(dǎo)致氣腔夾斷并演化為氣泡，而對不形成氣泡的情況并不清楚，對氣腔與氣膜的相互作用也不了解。由于動態(tài)液滴中存在多個液氣界面和復(fù)雜的構(gòu)型變化，傳統(tǒng)光學(xué)成像方法無法深入解析多界面動力學(xué)。
研究團(tuán)隊結(jié)合傳統(tǒng)高速攝像技術(shù)和上海光源快速X射線成像線站（BL16U2）的快速X射線成像技術(shù)，系統(tǒng)研究了液滴撞擊超疏水納米多孔表面過程中氣腔的演化行為，在韋伯?dāng)?shù)約為2-5的狹窄范圍內(nèi)，首次同時觀察到氣腔的兩種演化路徑：一是演變?yōu)橐旱蝺?nèi)部的體相氣泡，二是發(fā)展為液滴下方的環(huán)形氣墊。研究團(tuán)隊識別了慣性主導(dǎo)的軸向內(nèi)爆、毛細(xì)波驅(qū)動的頸縮以及兩者混合的三種氣腔夾斷機制，發(fā)現(xiàn)氣腔與氣膜間的夾層液膜的穩(wěn)定性是決定演化路徑的關(guān)鍵：若液膜不破裂，氣腔受慣性主導(dǎo)發(fā)生內(nèi)爆，形成體相氣泡；若液膜在亞毫秒時間內(nèi)破裂，則會觸發(fā)毛細(xì)波驅(qū)動的頸縮，導(dǎo)致氣腔與下方氣膜融合，最終形成環(huán)形氣墊。這一臨界時間尺度約為0.5毫秒，與慣性-毛細(xì)時間尺度相符。
這項研究發(fā)現(xiàn)了氣腔的兩種演化路徑與三種夾斷機制，建立了液膜穩(wěn)定性與氣腔演化之間的機制聯(lián)系，量化了液膜壽命與慣性-毛細(xì)時間的關(guān)聯(lián)，研究結(jié)果深化了對液滴撞擊過程中氣腔塌陷、空氣捕獲、射流形成及氣泡輸運等基礎(chǔ)物理過程的理解。控制氣泡的生成與輸運，對鉀鹽浮選過程中的界面碰撞行為與傳質(zhì)過程研究具有重要參考價值。
本研究得到了中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、青海省及德國研究基金會的資助。感謝上海光源快速X射線成像線站（BL16U2）的技術(shù)支持。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1wt7-hf7l
圖：液滴中氣腔的兩種演化過程與三種夾斷機制。
審核：劉忠
