防止水滴在表面上積聚是非常有趣且具有實際意義的。室溫下的水滴可以通過紋理設計或聚結引起的表面動能轉換自發(fā)地從表面分離。

然而，在冰凍條件下，由于液滴-表面的相互作用更強和缺乏能量轉換途徑，這些策略變得無效。

2024年12月6日，香港理工大學王鉆開教授、姚海民副教授在國際頂級期刊Nature Chemical? Engineering發(fā)表題為《Freezing droplet ejection by spring-like elastic pillars》的研究論文，Huanhuan Zhang、Wei Zhang、Yuankai Jin、香港城市大學博士生吳辰陽為論文共同第一作者，王鉆開教授、姚海民副教授為論文共同通訊作者。

王鉆開，香港理工大學機械工程學系教授，香港工程科學院院士，香港青年科學院創(chuàng)院院士，英國皇家化學學會（RSC）會士，教育部長江講席教授。2000年于吉林大學獲學士學位，2003年于中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所獲碩士學位，2008年于美國倫斯勒理工學院獲博士學位。2009年加入哥倫比亞大學，2021年成為香港城市大學講座教授，現(xiàn)任職于香港理工大學。

王鉆開教授的研究范疇是流體動力學、仿生工程、軟物質、制造。

姚海民，香港理工大學機械工程學系副教授。2000年和2002年獲得清華大學學士和碩士學位。隨后在馬克斯普朗克金屬研究所學習。2006年獲得斯圖加特大學博士學位。2006-2010年先后在布朗大學和麻省理工學院擔任博士后研究員。曾在中山大學工作過一年，在2011年加入香港理工大學。

姚海民副教授的研究興趣包括仿生力學與材料、納米力學、接觸力學、生物材料的力學表征、能源材料的力學行為。迄今為止，他已在PNAS、Scientific Reports、JMPS、Nanoscale、Carbon等期刊上發(fā)表論文45余篇，總被引次數(shù)超過2000次。

利用凍結過程中水體積的膨脹，作者報告了一種具有彈簧狀支柱和潤濕對比度的結構化彈性表面，無論其撞擊位置如何，這種表面都能使凍結水滴自發(fā)噴射。

彈簧狀支柱可以將冷凍液滴在數(shù)秒內體積膨脹所做的功存儲為彈性能，然后在幾毫秒內將其快速釋放為動能。

時間尺度上三個數(shù)量級的減少可以產(chǎn)生足夠的動能來驅動冷凍液滴噴射。作者開發(fā)了一個理論模型來闡明決定這種現(xiàn)象成功發(fā)生的因素。

作者的設計可以通過編號策略在制造中進行擴展，從而開辟在除冰、軟機器人和發(fā)電領域的應用。

圖1：設計結構化彈性表面

圖2：SES和對照樣本上凍結水滴的行為比較

圖3：凍結水滴與SES之間動態(tài)相互作用的表征和理論建模

圖4：SES上凍結水滴噴射的相圖和實際應用潛力

綜上，這篇論文研究了一種結構化彈性表面（SES），該表面利用類似彈簧的支柱和潤濕對比度，能夠在冰點條件下自發(fā)彈射凍結的水滴，這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)表面設計在凍結環(huán)境下的局限性。

研究結果表明，通過合理設計SES的結構和機械屬性，可以有效利用水凍結時體積膨脹產(chǎn)生的能量，實現(xiàn)凍結水滴的自發(fā)彈射，這對于防冰、軟體機器人和能量收集、自清潔表面等領域具有重要的應用前景。

Zhang, H., Zhang, W., Jin, Y.?et al.?Freezing droplet ejection by spring-like elastic pillars.?Nat. Chem. Eng.,??(2024).?