河南农大&理化所&中科大J. Mater. Chem. A: 跷跷板效应被用于解释液滴的取向弹跳

【引言】

液滴的取向弹跳是取向运动的一种形式，在物质和能量的传输以及柔性机器人的行为控制上具有重要的应用。理解这种自然现象背后的机理将有助于我们更好地创造和发明新的液体传输形式。跷跷板是我们儿时常玩的一个游戏，当跷跷板两边各坐上一个小朋友时，身体较重的小朋友这边就会慢慢下降，身体较轻的小朋友那边就会慢慢升高。其物理学的解释是两侧的垂直方向的力矩不同，致使力矩小的一侧被翘起来，发生了圆弧状的旋转行为。古时候，人们利用这种跷跷板效应，发明了可以投掷火球或石头的武器——投石机，在三国演义的很多战争对垒中都有用到。最近，就有人将这种机理运用到水滴取向弹跳现象的解释上。

【成果简介】

近日，河南农业大学的宋美荣教授和李赫博士、理化技术研究所董智超博士和中科大丁航教授 (共同通讯作者) 团队报道了一种采用跷跷板效应解释液滴的取向弹跳行为。该研究发现，液滴撞击在结构（粗糙度）不同的异构或异质界面上时，会有一侧液滴被翘起来的过程，与已有工作水平方向上力的差异是驱动液滴取向运动的观点不同，团队认为，垂直方向上的力对这种取向行为是有影响的，并认为这种取向传输行为可能和跷跷板相关。为了进一步验证该效应，又找来了中空的胶囊（平时吃的药囊）在这种异质和异构界面撞击进行模拟观察，发现胶囊也会发生这种取向弹跳行为，并且在撞击过程发生了类似的一侧被撬起来的旋转行为。随后，团队将这里的力学模型提取出来并采用数值模拟方式加以证明。当这样简单的力学模型被提取出来后，团队惊喜地发现，对这个模型稍作改变，即可创造出更多形式的取向行为，实现对水滴弹跳的灵活操控。由此，研究团队提出可把水滴运动当作三向或多向开关在将来很多领域取得应用。相关研究成果以题为 “Directed motion of an impinging water droplet—seesaw effect” 发表于Journal of Materials Chemistry A (2020, 8: 7889-7896)，第一作者为王顺博士、李海龙硕士、段虎硕士和崔迎涛硕士。

【图文导读】

图1 结构 (粗糙度) 不同的异构界面的制备和表征

图2 水滴撞击H-flat/Cone异构界面的取向弹跳行为

(a) 水滴撞击H-flat/Cone异构界面后发生取向弹跳行为。

(b) 水滴撞击flat/Cone界面, 撞后没有明显的取向运动。

(c) 水滴撞击H-flat/L-flat和L-flat/Cone异构界面, 撞后水滴向粗糙度较低的一边发生取向弹跳。

(d), (f), (g) 分别为水滴在H-flat/Cone, H-flat/L-flat, L-flat/Cone 三种异质界面撞后运动抛物线轨迹和方程。

(e) 水滴撞击H-flat/Cone异构界面时, 在H-flat不变条件下, 三种不同韦伯数条件下椎间距对偏移因子 (k = d/D₀) 的影响。椎间距越大, 偏移因子也越大。

图3 液滴撞击异构界面取向弹跳的内在机理—跷跷板效应

(a) 古代投石机（也可以投火球）工作原理示意图

(b) 空胶囊撞后的取向弹跳行为—类似跷跷板效应

(c) 基本的力学模型示意图

(d) 水滴滴在不同粗糙度异构界面上的取向弹跳示意图

图4 液滴撞击在三种典型异构界面发生取向弹跳的数值模拟

图5 液滴撞击在三种典型异构界面发生取向弹跳时的不对称数据

(a, a₁-a₂) 对应于H-flat/L-flat异构界面, (b, b₁-b₂) 对应于Cone/L-flat异构界面, (c, c₁-c₂) 对应于H-flat/cone异构界面.

(a, b, c) 动态接触角 (CAs)

(a₁, b₁, c₁) 两个表面粗糙度不同的动态接触线的长度 (CL)

(a₂, b₂, c₂) 计算得到的毛细管力绝对值

图6扩展的力学模型产生的旋转撞击动力学（单向旋转和双向倒钟摆模型）

(a) 增强右边向下的力 (FR-down) 的力学模型示意图（单向旋转运动）

(b) 单向旋转行为的预测

(c) 单向旋转撞击动力学验证

(d) 用于比较的非碰撞水滴的平移行为

(e) 非碰撞水滴平移运动的典型例子

(f) 设计双向旋转运动的力学模型示意图

(g) 反重力摆动（倒钟摆）行为的预测

(h) 反重力摆动（倒钟摆）撞击动力学验证

(i) 用于比较的钟摆的运动

图7三向开关—液滴在不同倾斜角度Cone /H-flat界面撞击时的取向运动

(a) α₁＜α, 倾斜角度小于临界角度时, 水滴向左和较高位置方向取向弹跳;

(b) α₂ = α, 倾斜角度等于临界角度时, 水滴降落在初始撞击位置;

(c) α₁＞α, 倾斜角度大于临界角度时, 水滴向右和较低位置方向取向弹跳;

(d) 三向开关示意图

(e) 椎间距 (粗糙度) 与临界角之间的关系

【小结】

综上所述，该研究揭示了水滴撞击异构界面后取向弹跳的基本物理原理，并提出了这是类似于跷跷板效应的理论，使人们对液滴撞击取向运动有了新的认识，实现了对水滴弹跳的灵活操纵，研究团队提出可把水滴运动当作三向或多向开关在将来很多领域取得应用如软体机器人和电子设备等领域。

文献链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta00037j/unauth#!divAbstract