【成果簡介】
近日，香港理工大學(xué)機械工程系王鉆開教授課題組在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表其最新研究成果，標(biāo)題為“Why charged drops do not splash”。針對液滴撞擊固體表面這一經(jīng)典動力學(xué)過程，論文首次揭示了液滴電荷對飛濺行為的有效抑制及其背后的物理機制。團隊基于液膜空氣動力飛濺理論，建立了飛濺閾值與液滴電荷和表面介電常數(shù)的物理模型，將液滴飛濺的研究范圍從電中性拓展至帶電體系。這項工作的原創(chuàng)性和重要性得到了審稿人與編輯的高度肯定，被選為“編輯推薦” (Editors’ Suggestion)，第一作者為香港理工大學(xué)于凡斐博士和達姆施塔特工業(yè)大學(xué)/馬克斯·普朗克高分子研究所Aaron D. Ratschow博士。
【研究背景】
液滴撞擊固體表面形成的飛濺現(xiàn)象是自然界和工農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中的經(jīng)典動力學(xué)過程。在理論模型方面，研究者們先后提出包括基于慣性動力學(xué)、開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性以及液膜空氣動力等經(jīng)典飛濺理論。在飛濺行為有效控制方面，研究者們開發(fā)了多種手段包括調(diào)整環(huán)境壓力、改變固體表面特性以及重塑液滴的形狀等。這些研究為理解和控制液滴飛濺提供了重要基礎(chǔ)。然而，以往研究大多聚焦于電中性液滴。但事實上，帶電液滴在自然現(xiàn)象和技術(shù)領(lǐng)域中極為常見。例如，帶電液滴在雷暴云中自然形成，同時也在噴墨打印和電噴霧電離等技術(shù)應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色。此外，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴與疏水基底分離，甚至從塑料移液管中排出時，也往往自發(fā)帶上電荷。這表明，帶電液滴在自然和技術(shù)應(yīng)用中是不可避免的，構(gòu)成了更為普遍且可能更具相關(guān)性的場景。
【圖文速覽】
1.帶電液滴的飛濺抑制現(xiàn)象
為驗證電荷水平對液滴撞擊動力學(xué)過程的影響，作者首先通過可控的電流體動力學(xué)過程獲得系列具有相同尺寸不同電荷量的液滴。對于中性液滴的典型撞擊事件，液滴的突然慣性減速控制了表面上的動量流動，并導(dǎo)致邊緣噴射出薄層液膜。在空氣動力作用下，液膜抬升并脫離表面，最終破裂成衛(wèi)星液滴發(fā)生飛濺。相比之下，帶電液滴表現(xiàn)出飛濺抑制現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為噴射液膜的重新潤濕以及衛(wèi)星液滴形成的顯著減少，甚至當(dāng)電荷水平達到一定閾值時液膜平穩(wěn)鋪展?jié)櫇癖砻?，飛濺完全被抑制。這說明液滴電荷可以顯著改變觸發(fā)飛濺的噴射液膜的動力學(xué)，最終影響飛濺結(jié)果。
Figure 1. Charged drop generation and typical impacting events on a glass substrate.
2.電荷對液膜噴射動力學(xué)的影響
隨著液滴電荷水平的增加，噴射液膜的發(fā)展長度，抬升高度及角度顯著減小。此外，電荷的存在也進一步縮短了液膜的噴射過程。這表明液滴電荷的存在增強了液膜與表面之間的固液相互作用。
Figure 2. Characterization of splash onset.
3.電荷與飛濺的理論模型及調(diào)控機制
為了深入理解帶電液滴的飛濺抑制行為，作者基于經(jīng)典的液膜空氣動力飛濺理論，引入了電應(yīng)力作用，建立了新的模型。由于電荷通常被高介電常數(shù)區(qū)域吸引，因此液膜受到指向表面的電應(yīng)力作用。在電應(yīng)力與液膜的空氣升力對抗作用下，抬升液膜被迫重新潤濕固體表面，或在固液界面處形成更薄的潤滑層，破壞了飛濺發(fā)生所需的條件。通過詳細的理論推導(dǎo)，作者得到關(guān)鍵的飛濺常數(shù)，并建立了液滴的電荷量、表面介電常數(shù)以及液滴的撞擊速度之間的定量關(guān)系。需要指出的是，當(dāng)表面介電常數(shù)降低時，這種抑制效果逐漸減弱。特別地，當(dāng)表面從電介質(zhì)材料替換為電導(dǎo)體材料，飛濺行為不再被抑制。研究還發(fā)現(xiàn)，無論是正電荷還是負電荷液滴，都能實現(xiàn)相同的飛濺抑制效果，進一步驗證了模型的正確性。
Figure 3. Splash suppression by an electric effect on the lifting lamella.
Figure 4. Prediction of splashing threshold for charged drops.
【總結(jié)與展望】
帶電液滴對飛濺行為的抑制效應(yīng)在不同液滴電荷水平和基底介電常數(shù)下普遍存在。研究建立了液滴電荷、基底介電常數(shù)和臨界濺起韋伯?dāng)?shù)之間的定量關(guān)系，為利用液滴電荷控制撞擊動力學(xué)和飛濺提供了理論基礎(chǔ)。APS在其物理網(wǎng)站Physics (physics.aps.org)的Focus專欄撰文推薦這項工作，其中援引西班牙塞維利亞大學(xué)的流體動力學(xué)家José Manuel Gordillo評價說：“該成果在科學(xué)描述和精確量化電荷對液滴飛濺影響方面邁出了重大一步”(“the results represent a major step forward in the scientific description and precise quantification of the effect of charge on droplet splashing”)，有望應(yīng)用于精確打印、農(nóng)藥噴灑和表面涂層等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
References:
[1] Fanfei Yu, Aaron D. Ratschow, Ran Tao, Xiaomei Li, Yuankai Jin, Jinpei Wang, Zuankai Wang*, Why charged drops do not splash,Phys. Rev. Lett. 134, 134001 (2025).
[2] Guillaume Riboux and José Manuel Gordillo*, Experiments of drops impacting a smooth solid surface: A model of the critical impact speed for drop splashing,Phys. Rev. Lett. 113, 024507 (2014).
[3] Philip Ball, Charged droplets can hit a surface without splashing,Physics 18, 74 (2025). https://physics.aps.org/articles/v18/74.
論文 DOI:
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.134001
來源：高分子科學(xué)前沿
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