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当接触荷叶表面时,水会形成水珠滚落下来,而玫瑰花怎么就不会?

当水滴接触荷叶表面时,它们会形成珠子并滚落下来,沿途“收集”灰尘颗粒。相反,玫瑰花瓣上的水滴也会形成珠子,但会固定在花瓣表面。

当水滴接触荷叶表面时,它们会形成珠子并滚落下来,沿途“收集”灰尘颗粒。相反,玫瑰花瓣上的水滴也会形成珠子,但会固定在花瓣表面。圣路易斯华盛顿大学一位机械工程师将这两个概念结合起来,找到了一种更有效的方法,让液滴从表面蒸发。麦凯尔维工程学院机械工程与材料科学助理教授帕特里夏·韦森塞(Patricia Weisensee)最初计划在表面上建立一种图案。

既能排斥液体(类似荷叶),也能针状液滴(类似玫瑰花瓣),以影响液滴撞击时(如下雨)的湿润。就像荷叶一样,当水撞击到驱避性或超疏水的表面时,液滴很容易反弹,就像雨水打在处理过的挡风玻璃上一样。在传热和蒸发过程中,由于水与表面的接触时间较短,这些超疏水表面的效率很低。相反,当液体接触到可以润湿的亲水性表面时,它会扩散到表面,形成一个液体水坑,需要很长时间才能蒸发。

Weisensee希望创造一种既具有排斥特性又具有润湿特性的表面,从而产生较小的亚液滴,结合了这两种表面的优点:液滴在润湿表面上的钉扎和蒸发,而不会有淹没整个排斥表面的风险。然后,观察了液滴的行为,以了解更多关于蒸发作为高科技电子设备热管理冷却方法的知识,其研究结果发表在《Langmuir》上。研究对加热双疏水表面上蒸发的单个水滴热输运进行了实验研究,该表面由具有强接触线钉扎圆形疏水图案的超疏水基体组成。

将体积为8μL的单个水滴放置在预热表面,并能其在开放的实验室环境中蒸发。研究了衬底取向(水平和垂直)对蒸发动力学的影响。利用光学和红外成像技术,研究了蒸发液滴的流体动力学和传热特性。总体而言,垂直表面的蒸发效率更高,总传热速率更高,蒸发时间最多缩短10%。与直觉相反的是,在垂直表面上,尽管底部有较高接触角和预期的楔形效应,但衬底-液滴界面热流密度在下部接触线附近高于上部区域。

同时,液滴下部的温度较低,研究人员将这种明显异常归因于明显的加热和蒸发之间的“竞争”作用,以及与水平表面相比,修改后的对流流动特征(包括液滴和气相内的对流特征)。研究还表明,当上下接触线的接触角在接近蒸发过程结束时变得相等时,热特征变得均匀。来自这项研究的见解可以指导喷雾冷却装置的设计,或者用于在基于蒸发制造技术和喷墨打印过程中改变颗粒沉积图案。

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