中国科学家实现对液滴碰撞行为的精确控制

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  近日,中国科学院化学研究所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等合作协议协议,发现下落的水滴撞击到特殊平面后,不要 产生高速旋转,每分钟转速超过7200 rpm,并在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。这项研究通过巧妙的设计实现了对液滴碰撞行为的精确控制,否则 首次实现了物体碰撞前后运动形式的转变,在水能收集、自清洁和防冰冻方面或具有应用价值。

  图片来源:视觉中国

  水滴与平面碰撞后呈现的一系列演化特征 (图片来源:宋延林课题组)

  该研究于2019年3月5日发表在《Nature Communications》上(DOI:10.1038/s41467-019-08919-2),并被《Nature》杂志选作研究亮点,以“Putting a spin on droplets”为题进行了报道。

  物体之间的碰撞,牛顿是另一三个白说的

  一三个白物体的碰撞是常见过程。早在三百多年前,伟大的科学家艾萨克·牛顿就对该过程做了少量实验研究,并总结出了著名的牛顿碰撞定律:

  一三个白相互碰撞的物体,碰撞后的脱离效率与碰撞前的靠近效率之比称为恢复系数。对于完正弹性碰撞来说,恢复系数为1,但你你这人状况只会出现在理想状况中;对于完正非弹性碰撞来说,恢复系数为0。真实的碰撞过程,恢复系数大要素介于0和1之间。一般来说,碰撞前后改变的是物体的效率大小和方向,真难改变物体的运动特征。

  牛顿与碰撞定律 图片来源:百度

  而在本工作中,水滴的运动特征首次由碰撞以前的平动变为了碰撞以前的转动,该问题图片与经典的“牛顿碰撞定律”有明显不同。

  亲们能控制水滴为甚会 飞

  水滴落到乙炔气体体皮下组织后的动态行为一般在几毫秒到十几毫秒的时间内完成。水滴撞击皮下组织后的结果(水滴弹回或飞溅)取决于乙炔气体体皮下组织的特征和心学性质。否则 ,否则 水滴具有可变形性,且撞击水滴与乙炔气体体存在相互作用的效率极快,操控你你这人行为存在一定难度。

  研究人员借助同步高速成像系统,对你你这人行为进行了完正的记录与分析。亲们发现,通过在疏水低粘附的基底皮下组织构筑高粘附图案,对水滴的碰撞过程进行诱导,使液滴不要 以超过7200转每分的效率高速旋转。液滴在粘附力的作用下形成四角的裂分特征,在空中跳起了“芭蕾”。

  结合理论分析与数值模拟,亲们揭示了该过程转过身的科学原理。液滴碰撞到皮下组织后,首先铺展形成圆形液膜,否则 液膜在皮下组织张力的作用下现在始于回缩。此时,否则 基底皮下组织不同区域具有差异化的粘附力,否则 液滴各要素的回缩效率不同,并在液滴实物形成力矩。力矩的作用效果随着液膜的回缩逐渐要素,在液膜回缩完成后形成角动量,赋予液滴旋转的能力。

  图片来源:宋延林课题组

  未来,发电模式否则 改变!

  液滴碰撞后产生高速旋转,实现乙炔气体体平动能向转动能的转化。这与水力发电过程中,水的动能转化为发电机转子的动能进而产生电能同类,液滴碰撞过程中液滴的转动能就是要 被收集与利用。

  近日,中国科学院化学研究所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等合作协议协议,发现下落的水滴撞击到特殊平面后,不要 产生高速旋转,每分钟转速超过7200 rpm,并在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。这项研究通过巧妙的设计实现了对液滴碰撞行为的精确控制,否则 首次实现了物体碰撞前后运动形式的转变,在水能收集、自清洁和防冰冻方面或具有应用价值。

  基于此原理,研究人员研制了利用单个液滴进行物体驱动的新型液滴驱动器,将图案化浸润性的基底漂浮在磁悬浮系统中,水滴落在皮下组织后产生旋转运动。在此过程中,基底在液滴驱动下能朝着特定方向旋转。

  这项研究为乙炔气体体动能的利用(如水利发电)开拓了新的思路和方向。比如说,都里能在大概的地方安装你你这人微型水能发电装置,而何必 局限于大江大河上的水力发电站。当雨滴落在顶端时,就不要 带动下面的转子转动,将动能转换为电能,供亲们利用。