液滴が固体表面に衝突するのは、自然と工業シーンに一般的に存在する現象である。その中の衝突過程における固/液接触時間は、固液二相間の質量、運動量及びエネルギー伝達効率を決定する重要な要素の一つである。固/液接触時間を減少させ、液滴の固体表面からの迅速な離脱を促し、エネルギー収集、熱管理、氷被覆防止などの応用シーンではずっと難題である。研究者たちは、液滴の衝突点を正確に調整したり、狭い液滴衝突速度区間に制限されたりする必要があるさまざまな勾配表面を設計することで、接触時間をさらに削減している。

以上の問題に対して、最近香港理工大学の王ドリル教授チーム表面に衝突した液滴が異なる衝突速度で対応する液滴バウンドモードに自動的に切り替わるように二重勾配表面を設計した。この適応スイッチングされた液滴バウンドは、液滴衝突点の操作ニーズを回避し、より大きな液滴衝突速度範囲内で液滴の高速離脱を実現する。関連する研究内容は「デュアルグラディエント表面上の自適応性の低い滴」と題して「Small」誌に発表され、香港都市大学の博士課程在学中の呉辰陽氏が第1著者となった。

この研究は、図1に示すように、二重勾配構造を有する表面を設計した。チームメンバーの使用摩方精密会社のnanoArch® S 140マイクロナノ3 Dプリンタによるミクロンレベルのマイクロニードルアレイの製造、マイクロニードルベース300μm、長さ800μm、マイクロニードルピッチ300μmは、SEM画像中に良好な形態とアレイ分布を示している。

この二重勾配表面の最初の勾配構造は連続した突起島からなり、横方向非対称な湾曲を有し、非対称な液滴の広がりを促進し、液滴の反発を加速することができる。第2の勾配は、液滴が落下中に十分な毛細管エネルギーを貯蔵し、迅速な運動エネルギー−毛細管エネルギー変換を完了できるように、垂直方向にテーパ間隔が徐々に狭くなるミクロテーパマイクロニードルアレイからなる。

実験により、この表面に衝突した液滴は低い衝突速度（ウェーバー数が9.7未満）で非対称的な跳ね返りモードを呈し、固液接触時間は13.2 msに減少し、高い衝突速度（ウェバー数が9.7より大きい）で円盤状の跳ね返りモードに切り替え、固液接触時間はさらに4.5 msに減少した。実験と理論分析により、この跳ね返りモードの適応性は毛細管圧力と動的な水圧力の競争、及び水平面上の液滴拡張過程におけるエネルギー再分布によって共通に引き起こされることが明らかになった。

以前に報告された他の戦略と比較して、この作業設計の二重勾配表面は非対称バウンドと円盤状バウンドの優位性を結合し、液滴衝突点を精密に制御する必要がなく、比較的大きなウェバー数区間で有効な液滴高速離脱を実現することができ、液滴の高速離脱に新たな構想を提供した。

原文リンク：

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

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