液滴撞击颗粒负载液–气界面：Worthington射流动力学与漂浮颗粒筏介导的微塑料喷射

《Journal of Colloid and Interface Science》：Droplet impact on a particle-laden liquid interface: Worthington jet dynamics and microplastic ejection from floating rafts

　　

液滴撞击颗粒筏会改变飞溅与空腔坍塌行为。颗粒尺寸与润湿性控制液膜（lamella，撞击后径向铺展的薄液层）边缘指状失稳（fingering）和飞溅起始（splash onset）。超疏水颗粒筏促进颗粒喷射及液态弹珠（liquid marble，颗粒壳包裹液滴形成的非润湿液滴）形成。颗粒筏可形成弹性与刚性两类Worthington射流（Worthington jet，空腔坍塌后向上聚焦形成的中央射流）区制。几何–惯性–毛细标度（geometric–inertial–capillary scaling）可统一描述飞溅与射流动力学。

由Muhammad Hamza Iqbal、Alfonso Arturo Castrejón-Pita、José Rafael Castrejón-Pita与Miguel A. Quetzeri-Santiago完成的研究，聚焦毫米级液滴撞击覆盖漂浮颗粒筏（particle raft，漂浮于液–气界面的密排颗粒单层）的静止液池。微塑料已成为水圈和大气圈中的普遍污染物，海表微层可富集微塑料；既有海洋–大气释放研究主要关注气泡破裂、海浪飞沫和雨滴撞击夹带，但漂浮密排颗粒单层如何改变液滴撞击、空腔坍塌、Worthington射流及微塑料喷射仍缺乏直接表征。因此，研究人员将密排单分散颗粒筏视为受控的高覆盖极限，考察颗粒尺寸、密度、润湿性和浸没深度对飞溅（splash，液膜或冠部破碎并产生二次液滴）、空腔、射流及颗粒传输的影响，旨在识别液滴撞击将微塑料从水面带入空气的界面机制。研究结果表明，颗粒筏通过耦合液膜失稳、毛细黏附、空腔坍塌形态与垂直射流形成，改变经典液滴撞击动力学，并提出可预测微塑料喷射条件的尺度关系，对海表微层气溶胶化及颗粒负载界面撞击理论具有意义。

关键技术方法（不超过250字）：实验以去离子水为液池，用注射泵和钝头不锈钢针生成直径D=2.55 mm水滴，通过调节针头高度使撞击速度U在0.39–3.46 m s^?1范围变化，撞击覆盖单分散颗粒筏的静止水面；颗粒包括荧光聚乙烯（FPE）、聚乙烯（PE）和玻璃，并设未处理与Glaco超疏水处理组。研究无人类或动物样本队列。采用同步双台高速相机正交侧视记录上部飞溅、颗粒喷射和射流，以及下部空腔形成与坍塌；用垂直扫描光学轮廓仪测量颗粒露出高度，计算浸没比和表观几何接触角；以We（Weber数，惯性应力与毛细应力之比）、Fr（Froude数，惯性力与重力之比）、Oh（Ohnesorge数，黏性力与毛细–惯性力之比）、Bo（Bond数，重力与毛细力之比）及Λ、Π开展尺度分析。

3.1 飞溅动力学（Splashing dynamics）：通过将撞击结果映射到（We，D_p）平面并比较清水、未处理与超疏水颗粒筏，得出飞溅阈值受颗粒尺寸、密度、润湿性和浸没深度共同控制；提出Λ=(D_p/D)(ρ_p/ρ)(1?cosθ)³，数据在（We，Λ）空间大致分为飞溅与非飞溅区，Λ?0.5时更易在低We下飞溅；未处理115 μm FPE筏为例外，飞溅延迟至We≈251。

3.2 飞溅过程中的撞击驱动颗粒喷射（Impact-driven particle ejection during splashing）：通过侧视高速成像比较不同颗粒筏在We≈415等条件下的颗粒喷射，得出未处理筏喷射受抑，小未处理颗粒仅在最高撞击速度下喷出少量颗粒，≥327 μm未处理颗粒未见撞击驱动颗粒飞溅；超疏水小颗粒在We≈65起即发生数十至数百颗粒的径向喷射，大超疏水颗粒仅在高We下喷射，玻璃颗粒无论处理均未见喷射。结论为毛细黏附与颗粒惯性竞争控制早期颗粒喷射。

3.3 射流动力学（Jet dynamics）：通过测量最大无量纲射流高度H_J/D随Fr变化，得出清水在Fr?70出现Worthington射流；未处理筏随颗粒增大而延迟并抑制射流，最大高度单调下降，密度影响较弱；超疏水筏使射流提前，射流高度随粒径非单调变化，231与327 μm附近最高，可接近或略超清水，G-Glass则延迟且射流低。结论为颗粒尺寸、润湿性和惯性共同控制射流形成与高度。

3.4 射流形成下的空腔动力学（Cavity dynamics underlying jet formation）：通过测量最大无量纲空腔深度H_C/D随Fr变化，得出清水空腔最深，颗粒筏降低空腔深度，且随颗粒尺寸增大而单调降低；小颗粒处理与未处理差异小，大颗粒超疏水筏空腔更深。结论为空腔深度不能完全解释小颗粒超疏水筏的射流增强，需进一步考察空腔坍塌。

3.5 空腔坍塌模式（Cavity collapse modes）：通过侧视图像分类sharp W、soft W、flat V和sharp V并分析时间序列，得出清水随Fr由sharp W向soft W、flat V和sharp V转变；未处理小颗粒可维持sharp W，较大颗粒转为soft W或flat V，550–780 μm仅呈sharp V，大颗粒被射流夹带后形成慢而厚的射流；超疏水小颗粒因早期颗粒喷射使能量分配改变，形成soft W或flat V并产生高速细射流，解释其非单调射流高度。结论为润湿性驱动的颗粒喷射控制空腔坍塌模式及射流形态。

3.6 射流高度标度与区制相关坍塌（Jet height scaling and regime-dependent collapse）：通过以h^*(1+Π)对Fr作图，其中Π=(D_p/D)(ρ_p/ρ)(1+cosθ)，得出数据分为弹性响应区与惯性刚性区，并以毛细弯曲刚度B约3 nN m（边界约2.8–3.8 nN m）区分；弹性区α≈1.03（R²≈0.85），刚性区α≈1.22（R²≈0.84）且预因子较低。结论为射流高度可由惯性驱动受几何–惯性–毛细阻力调制的最小标度描述。

3.7 射流介导颗粒喷射与弹珠形成（Jet-mediated particle ejection and marble formation）：通过时间序列观察空腔坍塌后射流夹带颗粒，得出未处理小颗粒在高Fr下由sharp W空腔产生慢厚射流，夹带约100个颗粒的单个大液滴；较低Fr下由soft W或sharp V产生快细射流并分裂为多个小液滴，每个约15–30个颗粒；超疏水小颗粒形成颗粒完全装甲的marble-forming jet，分裂为稳定液态弹珠并抗聚并；大颗粒550–780 μm的射流介导喷射受抑，最多发生弱夹带或单个含粒液滴，玻璃颗粒因高密度进一步抑制。结论为射流介导喷射是颗粒筏微塑料大气释放的主导路径，尤其适用于小尺寸、弱浸没、超疏水颗粒。

讨论与结论：该研究将漂浮颗粒筏引入经典液滴撞击与Worthington射流框架，指出颗粒筏提供额外界面阻力，直接控制早期液膜动力学与后续垂直颗粒传输。研究结论翻译如下：研究人员研究了毫米级水滴撞击覆盖漂浮微粒筏的液池，揭示颗粒尺寸、密度、润湿性和浸没深度如何控制飞溅、空腔坍塌、Worthington射流形成和微塑料喷射。与既往关注气泡破裂、海浪飞沫或雨滴驱动表面夹带的研究不同，该研究表明漂浮颗粒筏引入额外界面阻力，直接控制早期液膜动力学和后续垂直颗粒传输，并将颗粒负载液–气界面物理与经典液滴撞击及Worthington射流动力学联系起来。首先，颗粒筏上的飞溅起始并非由单一材料属性决定，而由几何–惯性–毛细阻力控制，该行为由Λ=(D_p/D)(ρ_p/ρ)(1?cosθ)³统一描述；小颗粒且浸没较深时稳定液膜、延迟飞溅并限制早期喷射，大颗粒或弱浸没超疏水颗粒突出界面并作为有效粗糙颗粒层，促进指状失稳并在较低We下触发飞溅。其次，颗粒筏控制空腔坍塌路径；小及中等颗粒筏保持足够顺应性以支持波涌形成和垂直动量聚焦，较大或较密颗粒筏表现为惯性刚性层并抑制波涌、降低射流高度；最大射流高度由h^*∝Fr^α/(1+Π)描述，重标度后分为近惯性标度的弹性响应区与垂直动量聚焦降低的惯性刚性区。第三，研究识别两条颗粒传输路径：撞击驱动喷射发生于早期液膜扩展阶段，弱浸没超疏水颗粒因毛细黏附降低而更易发生；射流介导喷射发生于空腔坍塌阶段，超疏水小及中等颗粒形成颗粒装甲射流并分裂为液态弹珠，未处理筏多形成部分装甲液滴且回落时更易聚并。综上，漂浮颗粒单层通过耦合液膜失稳、毛细黏附、空腔坍塌形态和垂直射流形成，改变经典液滴撞击动力学；所提标度为识别雨水将微塑料从水转移至空气的界面条件提供预测基础，并将液滴撞击理论拓展至颗粒负载和污染界面，相关于海表微层、环境气溶胶化、土壤侵蚀、砂质基底及其他液滴–颗粒撞击过程。