研究旨在控制和增强冷冻液滴的附着力

当冷冻液滴撞击表面时，它们通常要么粘在表面上，要么弹开。控制这种反应对许多应用至关重要，包括3d打印、一些表面涂层的喷涂，以及防止飞机机翼、风力涡轮机或电力线等结构上的结冰。

麻省理工学院的研究人员发现了液滴与表面接触时所涉及的力学的新转折。虽然大多数研究都集中在这些表面的疏水性上，但事实证明，它们的热性能也至关重要，并提供了一个意想不到的机会来“调整”这些表面，以满足特定应用的确切需求。

研究结果由麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi、前博士后Jolet de Ruiter和博士后Dan Soto在一份报告中提出。“我们发现了一些非常有趣的东西，”瓦拉纳西解释说。他的团队正在研究一种液体的性质——在这种情况下，是熔化的金属滴——冻结在表面上。

“我们有两种基材，它们具有相似的润湿性能(在表面上扩散或聚集的趋势)，但热性能不同。”根据传统的想法，液滴在两个表面上的作用方式应该是相似的，但结果却截然不同。

瓦拉纳西说，在硅上，像大多数金属一样，导热性很好，“熔化的金属只是脱落了”。但玻璃是一种很好的隔热材料，“金属滴会粘在玻璃上，很难去除。”

他说，这一发现表明，“我们可以通过控制液滴表面的热特性来控制液滴在表面上冻结的粘附性”。“这是一种全新的方法”来确定液体如何与表面相互作用，他补充说。“它为我们控制这种液固相互作用的结果提供了新的工具。”

为了解释不同材料的导热性差异，Varanasi给出了两种地板表面的例子，一种由石头制成，另一种由木材制成。即使两者的温度完全相同，如果你赤脚踩在木头上，感觉也会比石头暖和。这是因为石头的热渗出率(材料交换热量的速度)比木头高，所以它能更快地从你的脚上吸走热量，让你感觉更冷。

研究中的实验是用熔融金属进行的，这在一些工业过程中很重要，例如应用于涡轮叶片和其他机器部件的热喷涂涂层。对于这些工艺，涂层的质量和均匀性取决于在沉积过程中每个微小液滴附着在表面的程度。瓦拉纳西说，这一结果可能也适用于包括水在内的所有液体。

当涂层表面时，“液滴撞击和形成飞溅的方式决定了涂层本身的完整性。如果不完美，就会对部件的性能产生巨大影响，比如涡轮叶片。”瓦拉纳西说。“我们的研究结果将为人们提供一种全新的理解，即什么时候会坚持下去，什么时候会不坚持下去。”

这一新发现在两种情况下都很有用，一是需要液滴粘在表面上，比如在某些3d打印机上，以帮助确保每一层打印层都与前一层完全粘在一起，二是防止液滴粘在表面很重要，比如在寒冷的天气里粘在飞机机翼上。该研究还可以为增材制造和热喷涂过程的清洁和废物管理提供帮助。

索托说，这一发现是在团队研究液体和基板之间界面的局部冻结机制时发现的，他们使用了一台热高速摄像机，该摄像机显示了冷却过程中的快速效应，这在更长的时间尺度上是不可能看到的。图像显示液滴外缘周围的条纹逐渐发展。他说:“然后我们意识到，液滴在冻结时意外地卷曲起来，并从表面分离。”他们将这种现象描述为液滴的“自我剥落”。

“造成这种现象的主要原因，”de Ruiter说，“是短时间尺度的流体动力学和长时间尺度的热效应之间的相互作用，前者决定了粘附性，后者导致了整体变形。”该团队开发了一个设计地图，根据关键的热性能:跌落和基板渗出率以及温度，捕获了不同的可能结果(粘附、自剥离或弹跳)。

Soto说，由于液滴粘附或不粘附的程度取决于材料的热性能，因此可以根据应用定制这些性能。“我们可以想象这样的场景，通过电场或磁场可以实时调整热性能，从而可以调节撞击液滴的表面粘性。”

研究小组发现，通过改变液滴和表面的相对温度，也可以简单地控制粘附的结果。在许多情况下，这些变化是违反直觉的:例如，虽然人们可能认为防止冻结液滴粘在一起的唯一方法是加热基底，但研究小组发现了一种新的方法，在这种方法中，冷却表面也可以导致相同的结果。

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源和能源新闻。

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