液滴的取向彈跳行為怎麼解？宋美榮教授團隊「蹺蹺板效應」來點破

2020-08-19 河南農業大學

日前，我校理學院宋美榮教授團隊在國際知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上發表題為 「Directed motion of an impinging water droplet—seesaw effect」 （蹺蹺板效應被用於解釋液滴的取向彈跳）的研究論文，利用「蹺蹺板效應」揭示了水滴撞擊異構界面後取向彈跳的基本物理原理。

液滴的取向彈跳是取向運動的一種形式，在物質和能量的傳輸以及柔性機器人的行為控制上具有重要的應用。理解這種自然現象背後的機理將有助於我們更好地創造和發明新的液體傳輸形式。蹺蹺板是我們兒時常玩的一個遊戲，當蹺蹺板兩邊各坐上一個小朋友時，身體較重的小朋友這邊就會慢慢下降，身體較輕的小朋友那邊就會慢慢升高。其物理學的解釋是兩側的垂直方向的力矩不同，致使力矩小的一側被翹起來，發生了圓弧狀的旋轉行為。古時候，人們利用這種蹺蹺板效應，發明了可以投擲火球或石頭的武器——投石機，在很多戰爭對壘中都有用到。

圖1：水滴撞擊H-flatCone異構界面的取向彈跳行為

該研究發現，液滴撞擊在結構（粗糙度）不同的異構或異質界面上時，會有一側液滴被翹起來的過程 （圖1），與已有工作水平方向上力的差異是驅動液滴取向運動的觀點不同，該研究認為，垂直方向上的力對這種取向行為是有影響的，並認為這種取向傳輸行為可能和蹺蹺板相關。為了進一步驗證該效應，團隊利用中空的膠囊（平時吃的藥囊）在這種異質和異構界面撞擊進行模擬觀察，發現膠囊也會發生這種取向彈跳行為，並且在撞擊過程發生了類似的一側被撬起來的旋轉行為。隨後，團隊將其中的力學模型提取出來並採用數值模擬方式加以證明（圖2）。更進一步，團隊發現，對這個模型稍作改變，即可創造出更多形式的取向行為，實現對水滴彈跳的靈活操控。由此，研究團隊提出可把水滴運動當作三向或多向開關在將來很多領域取得應用（圖3）。

圖2：液滴撞擊異構界面取向彈跳的內在機理（蹺蹺板效應）及數值模擬

該研究揭示了水滴撞擊異構界面後取向彈跳的基本物理原理，並提出了這是類似於蹺蹺板效應的理論，使人們對液滴撞擊取向運動有了新的認識，實現了對水滴彈跳的靈活操縱，研究團隊提出可把水滴運動當作三向或多向開關在將來應用於軟體機器人和電子設備等眾多領域。

圖3：擴展的力學模型產生的旋轉撞擊動力學及三向開關

該工作受到國家自然科學基金 (21703058, 21972038、21703270)、河南省重點研發計劃 (192102110053)、河南省青年骨幹教師項目 (2017GGJS03) 、現代農業技術體系 (CARS-04-ps-25) 及河南農業大學特殊創新基金 (KJCX2019C05) 的聯合資助。我校理學院王順博士為第一作者，中科大碩士研究生李海龍、我校碩士研究生段虎及碩士畢業生崔迎濤為並列第一作者，我校理學院宋美榮教授為第一通訊作者，機電學院李赫副教授、理化技術研究所董智超博士和中科大丁航教授為共同通訊作者，河南農業大學為第一署名單位。

統籌監製：周紅飛

責任編輯：張浩然

文字作者：李富強

本期編校：張繼松

內容來源：校園網

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