在工程上通常利用滴状冷凝提高冷凝换热效率、进而强化传热。而当冷凝液滴发生合并自弹跳时，冷凝换热系数是传统滴状冷凝的1.3至1.5倍，因此液滴合并自弹跳现象对冷凝传热强化的贡献是非常大的。一些宏观实验和理论研究表明，加入外电场能进一步促进冷凝液滴合并自弹跳的频率和高度，但在纳米尺度下是否仍遵守这一规律还未可知。

基于上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心王丹琪同学作为第一作者，解芳芳同学作为第二作者，王晓东教授作为通讯作者，在学术期刊《工程热物理学报》上发表题目为“电场下液滴合并自弹跳行为的分子动力学研究”的论文。

【论文概述】

本文利用分子动力学模拟方法首先研究了超疏水表面上两个纳米液滴的合并行为，在无外电场条件下，纯水液滴在超疏水表面上的合并过程中会释放出表面能，部分表面能会会部分转化为合并液滴的动能，进而引发合并自弹跳现象。在对液滴与平板之间的势能EO-Au和液滴在垂直平板方向(z方向)上的速度Vz随时间的变化的统计分析结果证实了模拟结果的正确性。

纯水液滴的合并过程

纯水液滴的合并过程中EO-Au和Vz随时间变化图

为了进一步探究提高合并液滴弹跳能力的方法，在z方向上加入不同强度的电场，探究电场对液滴合并自弹跳的影响。模拟结果显示，当电场强度从0向+z方向增加时，合并液滴从能弹跳转变成不弹跳，即+z方向电场抑制了液滴弹跳；当电场强度从0向-z方向增加时，电场强度在-0.4 V/nm≤E<0区间内对液滴弹跳表现出抑制作用；-0.84 V/nm≤E<-0.4 V/nm是电场促进弹跳区间，经对这一区间内的算例的弹跳时刻和弹跳速度统计后发现，电场强度越大，弹跳速度越大；而当E<-0.84 V/nm时，继续加大电场强度会再次抑制弹跳。

不同电场对合并液滴弹跳速度的影响

液滴在不同电场(Ⅰ) E=-1.00 V/nm (Ⅱ) E=-0.54 V/nm (Ⅲ) E=-0.40 V/nm (Ⅳ) E=0.40 V/nm (Ⅴ) E=0.54 V/nm (Ⅵ) E=1.00 V/nm下的合并过程

论文主要结论如下：垂直方向的电场对液滴有垂直向上的拉伸作用，拉伸力的大小与电场强度成正比，与电场方向无关，且拉伸作用能促进液滴的弹跳。同时液滴与板之间存在相互作用力，这种相互作用力与电场方向和强度都有关，并且相互作用力越大抑制弹跳作用越强；当电场向上时，相互作用力随电场强度增大而增大，抑制作用占主导地位，因此向上的电场对纯水液滴合并自下的弹跳现象有抑制作用；当电场方向为-z方向的情况下，当-0.4 V/nm≤E<0时，拉伸作用小，抑制作用大，电场会抑制弹跳；当-0.84 V/nm≤E<-0.4 V/nm时，拉伸作用大，抑制作用小，电场促进弹跳，且电场强度越大，弹跳速度越大；当E<-0.84 V/nm时，继续加大电场强度会使得液滴在平板上被拉长，产生能量耗散，从而抑制液滴弹跳。

论文得到了国家杰出青年科学基金（51525602）和国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）的资助。

撰稿人：王丹琪