宏观缺陷对液滴动力学的调控机制：基于多体耗散粒子动力学的研究

本研究针对宏观缺陷（孤立孔洞）如何调控液滴撞击固体基底动力学这一科学难题，采用多体耗散粒子动力学（MDPD）方法，系统揭示了孔洞尺寸与撞击速度的协同作用机制。研究发现，较大缺陷在低速（v=3）时可减少15%接触时间，但高速下因液体滞留抑制反弹，为表面涂层、自清洁材料等领域的液滴精准操控提供了新理论依据。

　　

论文解读
液滴撞击固体表面的现象在自然界和工业应用中无处不在——从雨滴打在荷叶上的自清洁效应，到喷墨打印中墨滴的精准沉积。尽管过去研究多聚焦于微观纹理表面的液滴行为，但现实中的材料表面常存在肉眼可见的宏观缺陷（如孔洞、裂纹），这些缺陷如何改变液滴的反弹、铺展和渗透？这一问题的解答对设计防冰飞机涂层、优化药物喷雾给药系统等至关重要。广西大学的研究团队通过计算模拟手段，首次揭示了宏观孔洞缺陷对液滴动力学的独特调控机制，相关成果发表在《Next Research》。

研究采用多体耗散粒子动力学（Many-body Dissipative Particle Dynamics, MDPD）方法，这是一种能同时捕捉纳米尺度润湿行为和介观流体动力学的粒子模拟技术。相较于传统计算流体力学方法（如Volume of Fluid），MDPD无需界面重构即可直接模拟分子间作用力，特别适合研究缺陷诱导的接触线钉扎、毛细渗透等复杂现象。

主要研究结果

1. 宏观缺陷的尺寸效应：当孔洞尺寸从rh₀
   增至rh₂
   时，低速撞击（v=3）下的液滴接触时间缩短15%，这是由于孔洞边缘引发的非对称回缩加速了液滴脱离；但高速撞击时，大孔洞会滞留过量液体，反而抑制反弹。
2. 能量耗散新机制：孔洞通过两种途径改变能量分配——一是动态压力梯度促使液体向孔内渗透，二是缺陷边缘的接触线钉扎增强黏性耗散。
3. 与微观纹理的差异：不同于微柱阵列等周期性结构，孤立宏观缺陷会引发局部流场失稳，导致液膜破裂模式发生根本改变。

这项研究不仅填补了宏观缺陷影响液滴动力学的理论空白，更为功能性表面设计提供了新思路。例如，在自清洁材料中引入可控宏观缺陷可缩短雨水滞留时间，而在微流控芯片中利用孔洞尺寸梯度可实现液滴定向输运。作者Yulei Wang团队特别指出，未来可结合MDPD模拟与3D打印实验，进一步探索缺陷几何拓扑的优化设计。研究结论强调：宏观缺陷并非总是不利因素，通过精准调控其尺寸与空间分布，可将其转化为操控液滴行为的"功能开关"，这一理念对开发新一代智能润湿材料具有里程碑意义。