麻省理工一项新发现，可以改变物体的粘附性能

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冻结的水滴通常通过粘附或反弹来影响表面。控制这一反应对于许多应用来说至关重要，包括3D打印、某些表面涂层的喷涂或者防止诸如风力涡轮机、飞机机翼或电力线等结构结冰。

      麻省理工学院的研究人员发现，当水滴与表面接触时，会产生一种令人惊讶的力学变化。图为液滴微观图像。（图片：Varanasi 课题组/麻省理工学院）
      目前，麻省理工学院的研究人员发现，当水滴与表面接触时，会出现意想不到的力学变化。虽然大多数研究都集中在表面疏水性，但事实证明，它们的热性质也非常重要。这项新发现提供了一个意想不到的机会，调整这些表面，可以满足特定应用的具体需求。
      这项研究结果今天被发表在自然物理杂志上，麻省理工学院的机械工程系Kripa Varanasi, 前博士Jolet de Ruiter和Postdoc Dan Soto对此做了学术汇报。
      Varanasi说：“我们发现了一些非常有趣的东西。”他的研究小组正在研究液体的性质，我们将液态金属滴冻结在表面上。 我们有两个基板，在不同的热能条件下，具有类似的润湿性能[摊开或聚集]。
      按照传统的观点，液滴作用在两个表面上的方式应该是相似的，但结果却大不相同。比如硅，像大多数金属一样，导热很好， “熔化的金属在它的表面可以脱落，” Varanasi说。但在玻璃上，它是一流的隔热材料，“金属滴在上面很难清除。”
      他说：“这项发现揭示了，我们可以通过控制表面的热性质来控制液滴在表面上的粘附力。”他补充说：“这是一种全新的方法，可以确定液体与表面的相互作用。它为我们控制这种固液相互作用提供了新工具。”
      为了解释不同材料热导率的变化，Varanasi提供了两个地板表面的例子，一个是石头做的，另一个是木头做的。即使两者的温度完全相同，在木头上赤脚行走时，也会比石头更温暖。这是因为相比于木材，石头蓄热系数高（材料的热交换率），热量扩散更迅速，因此感觉更冷。
      实验过程中采用熔融金属进行研究，在某些工业过程中这是至关重要的，如涡轮叶片和其他机械零件的热喷涂涂层。对于这些过程，涂层的质量和一致性取决于液滴沉积过程中如何粘附在表面上。这项结果可能也适用于其它液体，包括水。
      “在涂层表面，液滴的粘附形式影响涂层本身的完整性。如果涂层不是很完美，它就会对部件的性能产生巨大的影响，比如涡轮叶片，” Varanasi说。“我们的发现将对这个过程提供一个全新的理解。”
      当有液滴粘附在表面上时，这个新的见解可能是实用的。比如3D打印时，可以确保每个印刷层粘结得很好。比如寒冷天气，在飞机的机翼上会结冰，这个时候防止液滴粘附非常关键。这项研究也可用于添加剂制造和热喷涂过程的清洁。
      Soto说，研究小组在分析液体和衬底之间界面的局部冻结机制时，发现了这个新发现，我们使用高速相机，对冷却过程进行观察。图像显示出水滴外缘条纹的发展。他说：“我们意识到，当它冻结时，液滴意外地卷曲并从表面分离出来。”。他们把这种现象描述为水滴的“自我剥落”。
      de Ruiter 说“这种现象的主要原因是短时间内流体之间的相互作用，导致物体粘附和热效应，这导致了球状形变。”团队创建了一个设计图描述了各种热性能下可能的结果（自剥落，粘附，或跳跃）。因为在何种程度上，液滴粘附与否取决于材料的热性能，因此可以根据应用需求定制这些属性，Soto说。
      我们可以想象，通过电场或磁场实时调节热特性的场景，表面的粘性对水滴的影响是可以调节的。
      研究小组发现，可以通过改变液滴内部和表面的相对温度来调节粘附的结果。在许多情况下，这些变化是违反直觉的：例如，人们可能会想到，防止液滴冻结的唯一方法是加热衬底，但是研究小组发现了一个新的过程，在这个过程中冷却液体表面也会产生同样的结果。