科研進展
青海鹽湖所發(fā)現(xiàn)動態(tài)液滴中氣液界面演化新路徑和新機制
近日，中國科學院青海鹽湖研究所等單位的研究團隊在氣液界面演化的實驗研究方向取得新進展，研究結果以“Dual Pathways of Air Cavity Evolution during Droplet Impact on Superhydrophobic Nanoporous Surfaces”為題發(fā)表于物理學頂刊Physical Review Letters（Nature Index和中國科學院一區(qū)TOP），青海鹽湖研究所為第一單位，趙彬鈺研究員為通訊作者，科研助理周謐（已在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院攻讀博士學位）、助理研究員耿占立、碩士生張飛揚為共同第一作者，共同第一作者還包括德國萊布尼茨高分子所碩士畢業(yè)生林渝竣。
固液界面相互作用涉及典型的多尺度界面現(xiàn)象與流動過程，液滴撞擊固體表面時會沿中心軸產生圓柱形氣腔，并在液滴下方捕獲一層空氣薄膜。傳統(tǒng)觀點認為這層氣膜在影響撞擊結果中起關鍵作用。之前的研究僅發(fā)現(xiàn)慣性主導的軸向內爆導致氣腔夾斷并演化為氣泡，而對不形成氣泡的情況并不清楚，對氣腔與氣膜的相互作用也不了解。由于動態(tài)液滴中存在多個液氣界面和復雜的構型變化，傳統(tǒng)光學成像方法無法深入解析多界面動力學。
研究團隊結合傳統(tǒng)高速攝像技術和上海光源快速X射線成像線站（BL16U2）的快速X射線成像技術，系統(tǒng)研究了液滴撞擊超疏水納米多孔表面過程中氣腔的演化行為，在韋伯數(shù)約為2-5的狹窄范圍內，首次同時觀察到氣腔的兩種演化路徑：一是演變?yōu)橐旱蝺炔康捏w相氣泡，二是發(fā)展為液滴下方的環(huán)形氣墊。研究團隊識別了慣性主導的軸向內爆、毛細波驅動的頸縮以及兩者混合的三種氣腔夾斷機制，發(fā)現(xiàn)氣腔與氣膜間的夾層液膜的穩(wěn)定性是決定演化路徑的關鍵：若液膜不破裂，氣腔受慣性主導發(fā)生內爆，形成體相氣泡；若液膜在亞毫秒時間內破裂，則會觸發(fā)毛細波驅動的頸縮，導致氣腔與下方氣膜融合，最終形成環(huán)形氣墊。這一臨界時間尺度約為0.5毫秒，與慣性-毛細時間尺度相符。
這項研究發(fā)現(xiàn)了氣腔的兩種演化路徑與三種夾斷機制，建立了液膜穩(wěn)定性與氣腔演化之間的機制聯(lián)系，量化了液膜壽命與慣性-毛細時間的關聯(lián)，研究結果深化了對液滴撞擊過程中氣腔塌陷、空氣捕獲、射流形成及氣泡輸運等基礎物理過程的理解。控制氣泡的生成與輸運，對鉀鹽浮選過程中的界面碰撞行為與傳質過程研究具有重要參考價值。
本研究得到了中國科學院B類先導專項、國家自然科學基金委、中國科學院、青海省及德國研究基金會的資助。感謝上海光源快速X射線成像線站（BL16U2）的技術支持。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1wt7-hf7l
圖：液滴中氣腔的兩種演化過程與三種夾斷機制。
審核：劉忠
