近日，中国科学技术大学吴东教授、李二强教授，香港城市大学王钻开教授团队通过构建光滑注液多孔表面，提出促进小球入水产生空腔与提高流动减阻的新方法。相关研究成果以“Sustaining Robust Cavities with Slippery Liquid–Liquid Interfaces”为题，于2022年1月17日在线发表在Advanced Science上。

降低固体在液体中移动阻力是通过减少摩擦实现减阻节能的典型问题，而具有自由滑移表面的球体代表了可最小化运动阻力的理论极限。仿生猪笼草设计的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surfaces，简称SLIPSs)具有良好的损伤自修复性，在抗冰、抗污渍等方面有着诸多应用，且不相溶液体在其上将形成可滑移液液界面。基于此，研究团队使用飞秒激光可控微纳加工技术在不锈钢小球表面生成微孔阵列，并注入低表面能氟素液体获得SLIPS小球用于入水问题研究。有趣的是，相比于相同接触角的干燥疏水小球，SLIPS小球入水更易产生空腔及实现流动减阻。

图1. (a) SLIPS小球制备流程，(b)飞秒激光结构化小球表面扫描电镜微观形貌

图2. 疏水球入水（左）和 具有相同接触角与撞击速度的SLIPS小球入水（右）典型过程

图3. 小球入水和液滴撞击中液膜早期铺展的统一尺度律

为更好地对实验结果进行可视化和定量分析，研究团队通过引入小球与液滴间曲率比，成功将液滴撞击产生皇冠和小球入水形成空腔两类问题直接关联，建立了液滴撞击和小球入水两类问题中液膜早期铺展的统一尺度律。基于此，可定量计算入水问题中液膜铺展速度。

图4. 粘度比对皇冠形成和空腔生成的影响

进一步，研究团队拓展了前人在移动接触线问题中关于润湿转换临界毛细数的理论(Qin & Gao, J. Fluid Mech., 2018, 844, 1026-1037)，结合上述计算的液膜铺展速度，给出了不同粘度润滑油膜SLIPS小球入水产生空腔的临界速度预测公式，并通过实验进行了验证。得益于润滑油相粘度远高于空气，较之具有相同接触角的干燥疏水球，SLIPS小球可在更广参数范围内产生空腔、实现流动减阻。

图5. SLIPS小球可在更广参数范围内降低水下运动小球的阻力系数

本工作创新地引入曲率比将小球入水和液滴撞击两类问题相关联，从润湿转换的角度提出一种促进小球入水产生空腔的新策略，有望为水下减阻、仿生界面设计和移动接触线等应用与科学问题提供新思路。

论文的第一作者为中国科学技术大学精密机械与精密仪器系副研究员朱苏皖和近代力学系博士生吴涛，通讯作者为中国科学技术大学吴东教授、李二强教授和香港城市大学王钻开教授。合作者为中国科学技术大学褚家如教授、胡衍雷教授和李家文副教授。本研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。

WILEY

论文信息：

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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