河南農大&理化所&中科大J. Mater. Chem. A: 蹺蹺板效應被用于解釋液滴的取向彈跳

【引言】

液滴的取向彈跳是取向運動的一種形式，在物質和能量的傳輸以及柔性機器人的行為控制上具有重要的應用。理解這種自然現象背后的機理將有助于我們更好地創造和發明新的液體傳輸形式。蹺蹺板是我們兒時常玩的一個游戲，當蹺蹺板兩邊各坐上一個小朋友時，身體較重的小朋友這邊就會慢慢下降，身體較輕的小朋友那邊就會慢慢升高。其物理學的解釋是兩側的垂直方向的力矩不同，致使力矩小的一側被翹起來，發生了圓弧狀的旋轉行為。古時候，人們利用這種蹺蹺板效應，發明了可以投擲火球或石頭的武器——投石機，在三國演義的很多戰爭對壘中都有用到。最近，就有人將這種機理運用到水滴取向彈跳現象的解釋上。

【成果簡介】

近日，河南農業大學的宋美榮教授和李赫博士、理化技術研究所董智超博士和中科大丁航教授 (共同通訊作者) 團隊報道了一種采用蹺蹺板效應解釋液滴的取向彈跳行為。該研究發現，液滴撞擊在結構（粗糙度）不同的異構或異質界面上時，會有一側液滴被翹起來的過程，與已有工作水平方向上力的差異是驅動液滴取向運動的觀點不同，團隊認為，垂直方向上的力對這種取向行為是有影響的，并認為這種取向傳輸行為可能和蹺蹺板相關。為了進一步驗證該效應，又找來了中空的膠囊（平時吃的藥囊）在這種異質和異構界面撞擊進行模擬觀察，發現膠囊也會發生這種取向彈跳行為，并且在撞擊過程發生了類似的一側被撬起來的旋轉行為。隨后，團隊將這里的力學模型提取出來并采用數值模擬方式加以證明。當這樣簡單的力學模型被提取出來后，團隊驚喜地發現，對這個模型稍作改變，即可創造出更多形式的取向行為，實現對水滴彈跳的靈活操控。由此，研究團隊提出可把水滴運動當作三向或多向開關在將來很多領域取得應用。相關研究成果以題為 “Directed motion of an impinging water droplet—seesaw effect” 發表于Journal of Materials Chemistry A (2020, 8: 7889-7896)，第一作者為王順博士、李海龍碩士、段虎碩士和崔迎濤碩士。

【圖文導讀】

圖1 結構 (粗糙度) 不同的異構界面的制備和表征

圖2 水滴撞擊H-flat/Cone異構界面的取向彈跳行為

(a) 水滴撞擊H-flat/Cone異構界面后發生取向彈跳行為。

(b) 水滴撞擊flat/Cone界面, 撞后沒有明顯的取向運動。

(c) 水滴撞擊H-flat/L-flat和L-flat/Cone異構界面, 撞后水滴向粗糙度較低的一邊發生取向彈跳。

(d), (f), (g) 分別為水滴在H-flat/Cone, H-flat/L-flat, L-flat/Cone 三種異質界面撞后運動拋物線軌跡和方程。

(e) 水滴撞擊H-flat/Cone異構界面時, 在H-flat不變條件下, 三種不同韋伯數條件下椎間距對偏移因子 (k = d/D₀) 的影響。椎間距越大, 偏移因子也越大。

圖3 液滴撞擊異構界面取向彈跳的內在機理—蹺蹺板效應

(a) 古代投石機（也可以投火球）工作原理示意圖

(b) 空膠囊撞后的取向彈跳行為—類似蹺蹺板效應

(c) 基本的力學模型示意圖

(d) 水滴滴在不同粗糙度異構界面上的取向彈跳示意圖

圖4 液滴撞擊在三種典型異構界面發生取向彈跳的數值模擬

圖5 液滴撞擊在三種典型異構界面發生取向彈跳時的不對稱數據

(a, a₁-a₂) 對應于H-flat/L-flat異構界面, (b, b₁-b₂) 對應于Cone/L-flat異構界面, (c, c₁-c₂) 對應于H-flat/cone異構界面.

(a, b, c) 動態接觸角 (CAs)

(a₁, b₁, c₁) 兩個表面粗糙度不同的動態接觸線的長度 (CL)

(a₂, b₂, c₂) 計算得到的毛細管力絕對值

圖6擴展的力學模型產生的旋轉撞擊動力學（單向旋轉和雙向倒鐘擺模型）

(a) 增強右邊向下的力 (FR-down) 的力學模型示意圖（單向旋轉運動）

(b) 單向旋轉行為的預測

(c) 單向旋轉撞擊動力學驗證

(d) 用于比較的非碰撞水滴的平移行為

(e) 非碰撞水滴平移運動的典型例子

(f) 設計雙向旋轉運動的力學模型示意圖

(g) 反重力擺動（倒鐘擺）行為的預測

(h) 反重力擺動（倒鐘擺）撞擊動力學驗證

(i) 用于比較的鐘擺的運動

圖7三向開關—液滴在不同傾斜角度Cone /H-flat界面撞擊時的取向運動

(a) α₁＜α, 傾斜角度小于臨界角度時, 水滴向左和較高位置方向取向彈跳;

(b) α₂ = α, 傾斜角度等于臨界角度時, 水滴降落在初始撞擊位置;

(c) α₁＞α, 傾斜角度大于臨界角度時, 水滴向右和較低位置方向取向彈跳;

(d) 三向開關示意圖

(e) 椎間距 (粗糙度) 與臨界角之間的關系

【小結】

綜上所述，該研究揭示了水滴撞擊異構界面后取向彈跳的基本物理原理，并提出了這是類似于蹺蹺板效應的理論，使人們對液滴撞擊取向運動有了新的認識，實現了對水滴彈跳的靈活操縱，研究團隊提出可把水滴運動當作三向或多向開關在將來很多領域取得應用如軟體機器人和電子設備等領域。

文獻鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta00037j/unauth#!divAbstract