高压环境下超疏水表面液滴撞击行为的多模态调控机制研究

这篇研究首次在高达200 bar的高压环境中系统探究了液滴在超疏水表面的撞击动力学（We=5-10），揭示了四种典型行为模式（无反弹/卫星滴残留/气泡包裹/完全反弹），通过建立修正水锤系数（water hammer coefficient）的流体动力学模型，阐明了基底拓扑结构与压力协同调控反弹能力的机制，为深海油水分离等高压应用提供了表面设计依据。

　　

高压环境下的液滴撞击新范式

在液滴撞击研究领域，前人工作多集中于常压条件，最高环境压力仅达100 bar。这项突破性研究首次将实验压力拓展至200 bar，通过精密设计的高压悬滴装置（PDE-1400MD）和微米级3D打印基底，揭示了超疏水表面在极端压力下的液滴行为演化规律。

环境压力的颠覆性影响

当环境压力（P₀）从1 atm升至200 bar时，液滴行为呈现四阶段演变：在常压下表现为粘附基底并包裹气泡（I型）；50 bar时出现反弹但伴随卫星滴残留和气泡包裹（II型）；100 bar时仅保留气泡包裹（III型）；当P₀≥175 bar时实现完美反弹（IV型）。高速摄像显示，压力提升显著增强气垫效应，空气膜厚度从3.81 μm（1 atm）增至25.86 μm（200 bar），形成类似"气垫船"的动力学特征。

微结构间距的临界效应

研究团队设计了一系列间距（p=40-80 μm）的微柱阵列基底，发现p=60 μm基底在150 bar即可实现完全反弹，而p=70 μm需要175 bar。反常的是，静态接触角最大的p=80 μm基底反而表现最差，说明动态过程中的毛细压力（P_c）竞争比表观润湿性更具决定性。通过力平衡分析发现，防止卡西状态向文泽尔状态转变需要满足P_c > P_d + P_WH，其中动态压力（P_d）和水锤压力（P_WH）共同构成浸润驱动力。

修正的水锤模型突破

传统水锤系数（k≈0.2）严重高估高压下的冲击效应。本研究提出创新修正公式k=1.6268×10^-6P_c-6.54718×10^-5，首次量化了微结构间距通过毛细压力调控水锤效应的机制。该模型成功预测了不同基底达到III型反弹的临界压力：p=40 μm需25 bar，而p=50/60 μm需50 bar。

应用前景与局限

这项研究为深海作业（如1500米深度约150 bar）的油水分离器表面设计提供了理论指导。但当前研究限于水介质和固定韦伯数（We=5-10），未来需拓展到多组分流体和更广的We范围。高压环境特有的"气垫增强-微结构协同"效应，可能为航天器燃料喷射等极端工况带来新解决方案。

实验方法的精妙设计

研究采用氮气加压环境舱，通过投影微立体光刻技术（BMF S230）制备精度达μm级的微柱阵列。基底经全氟硅烷改性后，静态接触角达166.4±1.17°（p=70 μm）。高速摄像机以3000 fps捕捉到气泡包裹的动态过程：毛细波在7.6-8.3 ms形成气腔，10 ms时伴随液体射流喷发，这一现象在高压下被显著抑制。

这项发表于《Small Methods》的研究，通过欧洲研究委员会高级资助（No:101142539）支持，将液滴动力学研究推向了前所未有的200 bar高压领域，为理解极端环境下界面现象树立了新标杆。