什么是“牛頓碰撞定律”
碰撞無處不在。三百多年前，牛頓基于大量碰撞實驗研究，提出了著名的牛頓碰撞定律。牛頓碰撞定律認為，兩個相互碰撞的物體，碰撞后的脫離速度與碰撞前的靠近速度之比稱為恢復系數(shù)。對于完全彈性碰撞來說，恢復系數(shù)為1，但這種情況只會出現(xiàn)在理想情況中；對于完全非彈性碰撞來說，恢復系數(shù)為0。真實的碰撞過程，恢復系數(shù)大部分介于0和1之間。也就是說，碰撞前后改變的是物體的速度大小和方向，很難改變物體的運動形態(tài)。
為什么要控制液滴碰撞行為
液滴與固體表面的碰撞現(xiàn)象廣泛存在于自然界和生產(chǎn)生活的多個領(lǐng)域，對人類的生存和發(fā)展具有重要作用。例如，噴墨打印的墨滴碰撞行為對打印的精度和質(zhì)量起到關(guān)鍵作用；雨滴對多孔土壤的撞擊被認為是空氣中浮塵形成的成因之一；農(nóng)藥噴灑過程中，超過50%的農(nóng)藥液滴因為碰撞到作物葉片后的回彈而浪費。此外，液滴在固體表面的撞擊還在噴淋降溫等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此研究并精確控制液滴在固體表面的碰撞行為具有重要意義。
控制液滴回彈行為到底有多難
通過構(gòu)筑特殊結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的功能界面實現(xiàn)對液滴碰撞行為的調(diào)控，成為了近年來研究的熱點之一。然而，由于液滴在固體表面的碰撞具有時間短、性變大及形式多等特點。在碰撞到固體表面后，液滴往往在數(shù)毫秒內(nèi)發(fā)生極大程度的形變，且碰撞后可能產(chǎn)生直接沉積、回縮及回彈、破裂等多種結(jié)果，極大地增加了液滴碰撞行為的調(diào)控難度，相關(guān)理論與控制規(guī)律亟需發(fā)展和完善。
中國科學家突破“牛頓碰撞定律”的范疇
2019年3月5日，中科院化學所宋延林課題組與清華大學馮西橋、李群仰等合作，通過圖案化粘附表面誘導液滴碰撞行為，使液滴產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)行為，實現(xiàn)了液滴碰撞前后由平動能向轉(zhuǎn)動能的變化，突破了經(jīng)典牛頓碰撞定律的描述。
第一作者：李會增
通訊作者：馮西橋，宋延林
第一單位：中國科學院化學研究所
研究亮點：
1）將基底的圖案化粘附力與液滴撞擊動力相結(jié)合，使液滴撞擊到表面后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，首次實現(xiàn)液滴碰撞前后運動方式的轉(zhuǎn)變。
2）提出了普適的液滴撞擊控制規(guī)律，提出了不同于經(jīng)典“牛頓碰撞定律”的軟物質(zhì)碰撞規(guī)律。
3）利用圖案化粘附基底對液滴撞擊的作用，使4毫克的液滴驅(qū)動超過90毫克的基材以超過50°/min速度定向轉(zhuǎn)動，驗證了可控液滴旋轉(zhuǎn)回彈行為在新型能量收集與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應用。
作者發(fā)現(xiàn)，一滴水撞到荷葉表面，水滴會先鋪展，然后回縮、回彈脫離表面。而滴到玻璃上的水滴會直接攤開成一層水膜。這是由于玻璃表面比較親水，同時對水具有較大的粘附力。把這兩種效應結(jié)合，構(gòu)筑圖案化的親疏水表面，使水滴碰撞到該表面后受到各向異性的粘附力。
通過對圖案的設計，可以對粘附力的大小及方向進行調(diào)節(jié)。當粘附力的作用在液滴內(nèi)部形成力矩時，隨著液滴的回縮，力矩作用逐漸累積，液滴就獲得角動量，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)行為。通過對液滴回縮過程中一個作用點進行跟蹤，可以很明顯看出其運動軌跡呈現(xiàn)螺旋上升趨勢，即液滴在空中跳起了“芭蕾”。
總之，該工作首次實現(xiàn)了液滴碰撞后的旋轉(zhuǎn)運動，超出了經(jīng)典 “牛頓碰撞定律”的描述范疇，為新型液體運動形式的研究與利用提供了新的思路。通過表面設計，能夠?qū)崿F(xiàn)液體動能的收集與轉(zhuǎn)化，在水利發(fā)電領(lǐng)域有重要應用前景。
參考文獻：
HuizengLi, Xiqiao Feng, Yanlin Song et al., Spontaneous droplets gyrating viaasymmetric self-splitting on heterogeneous surfaces. Nature Communications,2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08919-2
宋延林課題組網(wǎng)站：
http://ylsong.iccas.ac.cn/
