在外部声场激励下，疏水膜上水滴的动态特性

《Langmuir》：Dynamic Characteristics of Water Droplets on a Hydrophobic Membrane under External Acoustic Excitation

本研究通过高速成像系统，揭示超疏低密度聚乙烯膜上水滴在声激励下的动态特性，发现共振频率下滴体积缩与破碎现象，并建立颈缩半径与破碎时间的幂律关系，为自清洁技术提供理论支撑。

　　

水滴在疏水表面的声学激发会改变其形状并提高其流动性，这为自清洁操作带来了潜在的好处，而自清洁操作在实际应用中变得必不可少。本研究考察了水滴在疏水低密度聚乙烯膜上受到外部声学激发时的动态响应。通过高速成像系统对水滴的动态响应进行了详细观察。分析水滴的振荡时考虑了水滴大小、表面润湿状态、流体性质以及声学激发参数等因素。通过在膜表面涂覆功能化的纳米二氧化硅颗粒，使其具有疏水性，接触角约为148° ± 2°，滞后现象约为2° ± 1°。实验结果表明，在共振频率下，水滴会发生显著的形状变形甚至断裂。在重力作用下，水滴的自然频率会降低，降低幅度为$\backslash sqrt\{\backslash frac\{mgd^2\}\{2\backslash pi\; Rd^2\}\}\$；其中，\$d\$是疏水表面到水滴质心的距离，\$R\$是水滴半径，这种效应在较大水滴（60\; \mu L）上更为明显。在共振频率下，振荡会显著改变水滴形状，导致水滴颈部变细最终断裂并形成新的水滴（例如，40\; \mu L水滴的共振频率为212.6\; Hz）。水滴断裂的动态过程遵循幂律关系：\$R\_n^e(t)\; =\; 0.013(t\; -\; b\_r^eof)^\{-2\}\$；其中，\$R\_n\$是颈部半径，\$t\_\{break-off\}\$是水滴断裂时间。对于40\; \mu L的水滴，新的水滴在约0.0075秒时形成。这些发现揭示了水滴在声学激发下的动态行为，对于自清洁和流体应用具有重要意义，并有助于理解水滴的颈部变细和断裂过程。$