近日，中國科學技術(shù)大學吳東教授、李二強教授，香港城市大學王鉆開教授團隊通過構(gòu)建光滑注液多孔表面，提出促進小球入水產(chǎn)生空腔與提高流動減阻的新方法。相關(guān)研究成果以“Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces”為題，于2022年1月17日在線發(fā)表在Advanced Science上。

降低固體在液體中移動阻力是通過減少摩擦實現(xiàn)減阻節(jié)能的典型問題，而具有自由滑移表面的球體代表了可最小化運動阻力的理論極限。仿生豬籠草設(shè)計的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surfaces，簡稱SLIPSs)具有良好的損傷自修復(fù)性，在抗冰、抗污漬等方面有著諸多應(yīng)用，且不相溶液體在其上將形成可滑移液液界面?；诖?，研究團隊使用飛秒激光可控微納加工技術(shù)在不銹鋼小球表面生成微孔陣列，并注入低表面能氟素液體獲得SLIPS小球用于入水問題研究。有趣的是，相比于相同接觸角的干燥疏水小球，SLIPS小球入水更易產(chǎn)生空腔及實現(xiàn)流動減阻。

圖1. (a) SLIPS小球制備流程，(b)飛秒激光結(jié)構(gòu)化小球表面掃描電鏡微觀形貌

圖2. 疏水球入水（左）和 具有相同接觸角與撞擊速度的SLIPS小球入水（右）典型過程

圖3. 小球入水和液滴撞擊中液膜早期鋪展的統(tǒng)一尺度律

為更好地對實驗結(jié)果進行可視化和定量分析，研究團隊通過引入小球與液滴間曲率比，成功將液滴撞擊產(chǎn)生皇冠和小球入水形成空腔兩類問題直接關(guān)聯(lián)，建立了液滴撞擊和小球入水兩類問題中液膜早期鋪展的統(tǒng)一尺度律?；诖耍啥坑嬎闳胨畣栴}中液膜鋪展速度。

圖4. 粘度比對皇冠形成和空腔生成的影響

進一步，研究團隊拓展了前人在移動接觸線問題中關(guān)于潤濕轉(zhuǎn)換臨界毛細數(shù)的理論(Qin & Gao, J. Fluid Mech., 2018, 844, 1026-1037)，結(jié)合上述計算的液膜鋪展速度，給出了不同粘度潤滑油膜SLIPS小球入水產(chǎn)生空腔的臨界速度預(yù)測公式，并通過實驗進行了驗證。得益于潤滑油相粘度遠高于空氣，較之具有相同接觸角的干燥疏水球，SLIPS小球可在更廣參數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生空腔、實現(xiàn)流動減阻。

圖5. SLIPS小球可在更廣參數(shù)范圍內(nèi)降低水下運動小球的阻力系數(shù)

本工作創(chuàng)新地引入曲率比將小球入水和液滴撞擊兩類問題相關(guān)聯(lián)，從潤濕轉(zhuǎn)換的角度提出一種促進小球入水產(chǎn)生空腔的新策略，有望為水下減阻、仿生界面設(shè)計和移動接觸線等應(yīng)用與科學問題提供新思路。

論文的第一作者為中國科學技術(shù)大學精密機械與精密儀器系副研究員朱蘇皖和近代力學系博士生吳濤，通訊作者為中國科學技術(shù)大學吳東教授、李二強教授和香港城市大學王鉆開教授。合作者為中國科學技術(shù)大學褚家如教授、胡衍雷教授和李家文副教授。本研究得到國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的支持。

WILEY

論文信息：

Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces

Suwan Zhu, Tao Wu, Yucheng Bian, Chao Chen, Yiyuan Zhang, Jiawen Li, Dong Wu*, Yanlei Hu, Jiaru Chu, Erqiang Li*, Zuankai Wang*

Advanced Science

DOI :10.1002/advs.202103568

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