华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与清华大学航天航空学院陈民教授合作开展了纳米液滴撞击固体表面飞溅机理的研究，在流体力学领域国际权威期刊Physical Review Fluids上刊登了研究成果，论文题目为 “Splash of impacting nanodroplets on solid surfaces”，论文第一作者为王一博同学，第二作者为王一峰同学，第三作者为王欣同学，第四作者为张本熙同学，第五作者为杨燕茹老师，第六作者为李笃中教授，王晓东教授和陈民教授为共同通讯作者。

理解纳米液滴撞击的飞溅特性对促进纳米制造领域的发展具有积极的帮助。已有研究表明，当液滴的大小从宏观尺度降低到纳米尺度时，尺度效应凸显，造成纳米液滴的飞溅特性不同于宏观尺度液滴。近年来，尽管相关研究已经发现了纳米液滴存在两种飞溅模式，即快速飞溅和内部破碎。然而，纳米液滴发生快速飞溅和内部破碎的机理尚未揭示。纳米液滴发生快速飞溅和内部破碎的机理是什么？纳米液滴是否存在新的飞溅模式？若存在新的飞溅模式，其机理是什么？表面浸润性和环境压力是否对纳米液滴的飞溅产生影响？纳米液滴发生飞溅的临界判据是什么？以上问题仍尚不清楚，因此需要开展相关研究。

【论文摘要】

本文研究了纳米液滴撞击固体表面的飞溅特性，发现纳米液滴发生快速飞溅和内部破碎的机理不同于宏观液滴。宏观液滴的内部破碎及快速飞溅都被归结为气体的夹带。然而，本文发现纳米液滴的内部破碎是由纳米尺度铺展液膜在固体表面上的阻尼振动失稳造成的。粘性耗散是液膜发生阻尼振动的原因，并且阻尼振动特别敏感于表面浸润性。基于这一机理认识，本文建立了纳米液膜阻尼振动方程，发现在亲水表面上，粘性耗散显著增加，阻尼因子大，液膜振动快速衰减，因此不发生内部破碎；然而在疏水表面，粘性耗散减弱，阻尼因子小，液膜振动更为剧烈，从而更易出现内部破碎。本文证实了液膜边缘的泰勒-瑞利失稳是纳米液滴发生快速飞溅的机理。此外，本文发现了纳米液滴的第三种飞溅模式，冠状飞溅，并揭示了气体升力是纳米液滴产生冠状飞溅的机理。

图1 纳米液滴撞击不同浸润性表面上的内部破碎现象

图2 不同环境压力下纳米液滴的冠状飞溅现象

论文得到了国家自然科学基金重点项目(No. 51936004)、国家杰出青年科学基金(No. 51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(No. 51821004)、中央高校基础研究经费(No. 2020MS060)资助。

撰稿人：王一博