粗糙度调控势阱实现可控超声空化：多尺度实验与模拟揭示气泡捕获-释放的多级机制

本研究针对超声空化控制难题，通过设计粗糙度工程表面构建几何诱导势阱，结合TPMS结构制备和高速成像技术，发现适度粗糙度可稳定气泡聚集，而过度粗糙会导致扰动驱动释放。分子动力学模拟揭示了范德华力主导的短程吸附机制，建立了"捕获-扰动-崩塌-释放"多级控制框架，为超声清洗、精密加工等领域的定向空化控制提供了新策略。

　　

在超声辅助加工、靶向能量释放和损伤抑制等领域，精确控制空化动力学一直是技术优化的核心挑战。传统方法主要通过调节超声参数（如频率、功率）或改变液体介质来调控空化强度，但这些被动调控手段难以实现对空化气泡的精准操控。随着表面工程技术的发展，研究人员开始探索通过表面改性来主动控制空化行为，然而针对表面粗糙度系统调控空化气泡的研究仍相对缺乏。

在这项发表于《Ultrasonics Sonochemistry》的研究中，来自中北大学的研究团队提出了一种基于粗糙度工程表面的可调空化控制策略。研究人员通过三周期极小曲面（TPMS）设计制备了不同孔隙率的钛合金壁面，系统调控表面粗糙度，并利用高速成像技术观察气泡行为。令人惊讶的是，他们发现适度粗糙的表面能够稳定气泡聚集，而光滑壁面无法保留气泡，过度粗糙则会引起扰动驱动释放。

为了深入理解这一现象背后的机制，研究团队建立了涉及水、气、固三者的多相分子动力学模型，引入二维正弦曲面来模拟粗糙壁面。通过分析气泡质心轨迹、相互作用能和原子势能分布，揭示了粗糙度调控空化行为的微观机理。

研究采用的关键技术方法包括：基于TPMS的结构设计制造、高速成像观测平台搭建、分子动力学模拟（使用LAMMPS软件包）以及多尺度数据分析。这些方法的有机结合使得从宏观实验现象到微观机制阐释的全链条研究成为可能。

2. Qualitative Experimental Analysis of Bubble Capture on Rough Surfaces

通过设计控制实验，研究人员系统观察了不同粗糙度表面对超声空化气泡行为的影响。使用TPMS结构调制表面粗糙度，通过金属3D打印制备样品。实验发现，随着孔隙率从0%增加到20%，气泡捕获能力呈现先增强后减弱的趋势。特别地，20%孔隙率样品在t=0.78ms时在壁面中心区域形成多个较大气泡团簇，显示出不对称形状和拉伸边缘，显著延长了气泡滞留时间。

2.1. Design and Fabrication of rough surfaces based on TPMS structures

选择Primitive型TPMS结构，通过调整隐函数参数t精确控制结构孔隙率。制备了孔隙率为5%、10%、15%和20%的壁面样品，以及0%孔隙率的平整对照样品。所有钛合金样品经过标准表面处理工艺去除油污和表面氧化物。

2.2. Construction of High-Speed imaging observation platform and parameter Settings

搭建定制化平台可视化空化气泡行为，超声频率设置为20kHz，输出功率640W，变幅杆尖端与样品表面距离固定为10mm。采用Photron FASTCAM SA-Z高速相机以6400fps的帧率记录气泡演化过程。

2.3. Time-Series Analysis of bubble evolution

时间序列分析显示，粗糙表面对气泡行为具有显著影响。平整样品（0%孔隙率）在整个时间序列中未观察到明显的气泡积累，而15%和20%孔隙率样品出现大量气泡团簇，呈现明显的粗糙度诱导聚集行为。

3. Atomic-Scale Mechanisms of Bubble Behavior Regulated by Rough Surfaces

分子动力学模拟揭示了粗糙表面对空化气泡行为的微观调控机制。构建了尺寸为108.45×108.45×200?³的模拟体系，包含粗糙金属表面、液态水区域和气泡空腔。

3.1. Rough surface modeling and Construction of the Gas–Solid–Liquid system

基于二维正弦函数构建粗糙表面，振幅A取值0、3.0、5.0、8.0和10.0?，波长λ固定为36.15?。在液态水域内创建半径为20?的球形空腔作为初始空化气泡。

3.2. Selection of potential Functions and parameter Settings

采用混合势函数方案，金属基底原子间作用采用EAM势，水分子采用SPC/E模型，非键相互作用采用Lennard-Jones和Coulomb混合势。长程静电作用采用PPPM算法处理。

3.3. Simulation procedure and Analysis of multiphase interfacial behavior

模拟过程包括能量最小化、初始平衡和超声激励施加。通过向顶部刚性金属板施加周期性振动（振幅5?，周期10ps）引入超声激励。

4. Multiscale Analysis of Roughness-Regulated Bubble Dynamics

多尺度分析结合宏观实验和分子模拟，系统阐明了粗糙度调控气泡动力学的机制。

4.1. Centroid Trajectory Analysis of cavitation Bubbles: Quantitative Evaluation of capture stability

气泡质心Z轴位置演化分析表明，5?粗糙度表面使气泡最接近壁面且振荡幅度最小，表现出最佳的空间稳定性。过度粗糙（8?和10?）表面虽然能使气泡靠近壁面，但振荡幅度显著增大，捕获稳定性降低。

4.2. Analysis of Bubble–Wall interaction Energy: Adsorption strength and destabilization mechanism

相互作用能分析显示，5?粗糙度表面的Lennard-Jones相互作用能呈现最显著的负波动，表明该粗糙度下物理吸附最强。高粗糙度表面（8?和10?）虽然仍具有一定的捕获能力，但强烈的几何扰动破坏了稳定吸附。

4.3. Atomic potential energy distribution Analysis: Formation and evolution of Structure-Induced energy wells

原子势能分布分析发现，适度粗糙表面（5?）形成均匀的低能区，气泡原子呈现紧凑的能量最小化构型。而高粗糙度表面（10?）产生大量高能"热点"，导致局部应力集中和不对称变形。

4.4. Integrated Analysis of Macroscale experiments and molecular dynamics simulations

宏观实验与分子模拟的整合分析表明，范德华力是气泡在固体表面吸附的主要驱动机理，而表面粗糙度通过引入空间局域化的能量极小值（势阱）来调控这一行为。

研究结论表明，表面粗糙度通过范德华相互作用和空间能量场分布的协同调控来调节空化气泡行为。适度粗糙度在捕获强度和动态稳定性之间达到最佳平衡，而高粗糙结构虽然会诱发气泡破裂，但为靶向能量释放提供了新思路。这项工作不仅揭示了表面结构调控气泡的基本物理基础，还为需要定向控制空化能量的应用提供了结构设计理论基础。

特别值得注意的是，研究提出的"捕获-扰动-崩塌-释放"多级机制框架，为理解粗糙度工程表面调控空化行为提供了系统性视角。该机制框架强调，表面粗糙度不仅影响气泡的初始捕获阶段，还通过引入几何扰动影响后续的崩塌模式和能量释放特性，这为实现可控空化应用开辟了新途径。

研究的局限性在于主要关注空化气泡捕获、聚集和崩塌的定性特征表征，缺乏基于图像的定量指标（如气泡滞留时间、平均团簇尺寸等）和多次实验的统计分析。未来的研究可在此基础上进一步开展定量化分析，深化对粗糙度调控空化行为的理解。