纳米镀膜、纳米打印及纳米喷涂等下一代高新技术对掌握“纳米尺度液滴的撞击动力学”提出了迫切需求，同时纳米尺度液滴撞击动力学特性的深刻认识也会积极推动防结冰、自清洁、喷雾冷却等现有技术的变革。3月20日，美国化学学会旗下权威期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》（五年影响因子：8.50）刊发了我校能源动力与机械工程学院本科生吕书航和博士生解芳芳作为共同第一作者的论文“Contact Time of a Bouncing Nanodroplet”。该期刊是物理化学领域的国际顶级期刊，也是中科院一区top期刊。论文使用分子动力学模拟研究了纳米尺度液滴撞击超疏水表面后的反弹行为，发现纳米液滴与固体表面的接触时间违背了公认的理论模型，论文揭示出“尺度降低诱发的粘性效应增强”是纳米液滴接触时间偏离现有理论的根本原因，通过引入粘性效应，论文提出了纳米液滴接触时间遵循的新的标度关系，为后续研究及实际应用提供了理论基础。

吕书航同学是我校16级本科生，在本科阶段不仅学习成绩优秀，同时也对科学研究充满热情，在大二时主动联系工程热物理研究中心的王晓东教授，希望在老师指导下参与研究。在老师的帮助下，确定“纳米尺度液滴撞击”的研究方向，并协调时间，严格按每两周进行汇报的制度展开初步科研。他从零基础开始，以文献调研与阅读为起步，同时由于专业知识的匮乏，研究的起步阶段格外艰难。但他凭借对科学研究的兴趣与热情，迎难而上，逐步克服困难，吸纳专业知识，掌握科研技能。并且在文献的调研与归纳过程中，液滴撞击超疏水表面的反弹行为引起了他的兴趣，并在逐步深入的阅读理解中确定了研究主题。随后，他学习并掌握了分子动力学模拟方法，展开纳米液滴的撞击研究，发现最终的计算结果与宏观尺度下液滴撞击的接触时间模型存在较大差异。经过更深入的文献研究，以及与老师和师姐的反复讨论，建立了数个不同的理论模型，又依次推翻，最终，他们终于建立出一套科学合理的理论模型，清晰地阐释了该现象的产生机理，形成了完整的建模理论工作。经过多次修改，此项研究成果终于得以成功发表。吕书航同学也通过该课题的研究过程得到了充分的科研训练，并且凭借丰富的科研经历和2/27的综合成绩排名保送清华大学能源与动力工程系。

本文着重于从接触时间的角度探讨纳米液滴撞击超疏水表面的反弹行为。宏观尺度下的液滴撞击研究表明，液滴撞击超疏水表面并发生反弹的接触时间遵循在较广撞击速度区间内接触时间不随液滴的撞击速度变化的规律。并且，研究者以对液滴铺展回缩过程的主要作用力分析为基础，建立了宏观尺度下液滴接触时间的标度定律。宏观尺度下液滴的接触时间模型中，液滴的反弹由惯性力和毛细力主导，而该过程中粘性力作用可忽略。本文通过对纳米尺度下液滴撞击超疏水表面接触时间的定量分析，证实宏观尺度下液滴的接触时间模型在纳米尺度下已不适用。同时，经过对纳米液滴撞击过程中液滴内部速度场及反弹液滴恢复系数的分析，进一步证明纳米液滴撞击过程中粘性力作用不可忽略。以该理论突破为基础，提出粘性力、惯性力、毛细力共同主导纳米液滴的反弹过程，最终，通过无量纲分析方法，对宏观尺度下液滴的接触时间模型进行修正，建立了适用于纳米尺度下液滴撞击超疏水表面接触时间的标度定律，即τ~(ρμR04/γ2)1/3="(R0/v0)We2/3Re-1/3，并通过不同半径、不同物性液滴撞击不同润湿性表面的分子动力学模拟对该定律进行了验证（如图 1）。同时，本文还发现，高速撞击下纳米液滴的接触时间会出现阶梯式下降，其原因为纳米尺度下液膜的震动，导致多个不规则孔洞出现，从而导致的非对称收缩，以及液滴底部蒸汽对液滴的提升作用。

本研究通过分子动力学模拟揭示了纳米液滴反弹的内在机理，提出了纳米尺度下反弹液滴接触时间的标度定律，对于纳米涂覆、喷墨打印、3D打印、飞机防结冰等工程应用均具有重要意义。此外，该模型也能够帮助理解液滴尺度减小至纳米尺度后，液滴动力学行为和宏观尺度的区别。本文中对于纳米液滴撞击过程内在机理的分析也为未来纳米液滴撞击动力学相关研究提供了参考。

图 1 标度定律的验证：不同液滴、不同润湿性表面上的无量纲接触时间都符合无量纲数组合We2/3Re-1/3的同一线性函数

附：相关论文详细信息

Xie, F. F.; Lv, S. H.; Yang, Y. R.; Wang, X. D. Contact Time of a Bouncing Nanodroplet. J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11: 2818-2823

全文链接如下：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c00788

撰稿人：解芳芳