Der Aufprall von Tropfen auf feste Oberflächen ist ein Phänomen, das in natürlichen und industriellen Szenarien weit verbreitet ist. Die Kontaktzeit zwischen Feststoff und Flüssigkeit während des Kollisionsprozesses ist einer der Schlüsselfaktoren, die die Masse, den Moment und die Energieübertragungseffizienz zwischen den beiden Phasen fest und flüssig bestimmen. Die Verringerung der Kontaktzeit zwischen Feststoff und Flüssigkeit und die schnelle Entfernung von Flüssigkeitströpfen von der festen Oberfläche ist eine Herausforderung in Anwendungsszenarien wie Energiesammlung, Wärmemanagement und Eisschutz. Die Forscher reduzierten die Kontaktzeit weiter, indem sie verschiedene Gradientoberflächen entwarfen, die oft den Kollisionspunkt der Tropfen genau regulieren oder auf engere Kollisionsgeschwindigkeitsbereiche beschränkt sind.

In Bezug auf die oben genannten ProblemeWang von der Hong Kong Polytechnic University öffnet ProfessorenteamEine doppelgradiente Oberfläche wurde so konzipiert, dass die Tropfen, die auf diese Oberfläche stoßen, bei unterschiedlichen Kollisionsgeschwindigkeiten automatisch in den entsprechenden Tropfenspringmodus wechseln. Dieser adaptive, schaltbare Tropfensprung verhindert die Notwendigkeit, den Tropfenkollisionspunkt zu manipulieren und ermöglicht eine schnelle Abtrennung der Tropfen im größeren Kollisionsgeschwindigkeitsbereich. Die relevanten Forschungsinhalte »Selbstadaptive Tropfen, die auf einer doppelten Gradienteoberfläche sprengenDer Titel wurde in der Zeitschrift "Small" veröffentlicht und der Doktorand Wu Chenyang von der City University of Hong Kong war der erste Autor.

Die Studie entwarf eine Oberfläche mit einer doppelten Gradientstruktur, wie in Abbildung 1 gezeigt. Teammitglieder verwendenNanoArch von MOF Precision ® S140 Mikron-3D-Drucker zur Herstellung von Mikronadel-Arrays auf MikronenebeneMit einer Mikronadel-Basis von 300 μm, einer Länge von 800 μm und einem Mikronadel-Abstand von 300 μm zeigt das SEM-Bild eine gute Form und eine Array-Verteilung.

Die erste Gradientstruktur dieser doppelten Gradientoberfläche besteht aus kontinuierlich ausgehobenen Inseln mit einer seitlichen asymmetrischen Biegung, die die asymmetrische Ausbreitung der Tropfen fördert und die Rücksprünge der Tropfen beschleunigt. Der zweite Gradient besteht aus einem mikrokonischen Mikronadel-Array, bei dem sich der Kegelabstand in vertikaler Richtung allmählich verengt, so dass die Tropfen während des Abfallens ausreichend Kapillarenergie speichern und eine schnelle kinetische Energie-Kapillarenergie-Umwandlung durchführen können.

Experimentell wurde gezeigt, dass die Tropfen, die auf die Oberfläche stoßen, bei niedrigeren Kollisionsgeschwindigkeiten (Weber-Zahlen kleiner als 9,7) ein asymmetrisches Sprungmuster aufweisen, wobei die Kontaktzeit auf 13,2 ms reduziert wird. Bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten (Weber-Zahlen größer als 9,7) wird der Umstieg in den Kuchensprungmuster weiter auf 4,5 ms reduziert. Experimentelle und theoretische Analysen zeigen, dass die Anpassungsfähigkeit dieses Sprungmusters durch die Konkurrenz zwischen Kapillardruck und dynamischem Wasserdruck sowie die Umverteilung der Energie während der horizontalen Ausdehnung der Tropfen gemeinsam verursacht wird.

Im Vergleich zu anderen zuvor berichteten Strategien kombiniert die Doppelgradient-Oberfläche dieses Arbeitsdesigns die Vorteile von asymmetrischem Sprung und Kuchensprung, ohne eine präzise Kontrolle des Tropfenkollisionspunkts, um eine effektive Tropfenschnelle Abtrennung in einem größeren Weber-Zahlenbereich zu erreichen, was neue Ideen für die schnelle Abtrennung von Tropfen bietet.

Original-Link:

https://doi.org/10.1002/smll.202304635

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