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。
博科园｜研究/来自：圣路易斯华盛顿大学
参考期刊《Langmuir》
DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02853
博科园｜科学、科技、科研、科普
