防止水滴在表面上積聚是非常有趣且具有實(shí)際意義的。室溫下的水滴可以通過紋理設(shè)計(jì)或聚結(jié)引起的表面動(dòng)能轉(zhuǎn)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(qiáng)和缺乏能量轉(zhuǎn)換途徑，這些策略變得無效。

2024年12月6日，香港理工大學(xué)王鉆開教授、姚海民副教授在國際頂級(jí)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(xué)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(xué)機(jī)械工程學(xué)系教授，香港工程科學(xué)院院士，香港青年科學(xué)院創(chuàng)院院士，英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（RSC）會(huì)士，教育部長(zhǎng)江講席教授。2000年于吉林大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2003年于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獲碩士學(xué)位，2008年于美國倫斯勒理工學(xué)院獲博士學(xué)位。2009年加入哥倫比亞大學(xué)，2021年成為香港城市大學(xué)講座教授，現(xiàn)任職于香港理工大學(xué)。

王鉆開教授的研究范疇是流體動(dòng)力學(xué)、仿生工程、軟物質(zhì)、制造。

姚海民，香港理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系副教授。2000年和2002年獲得清華大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位。隨后在馬克斯普朗克金屬研究所學(xué)習(xí)。2006年獲得斯圖加特大學(xué)博士學(xué)位。2006-2010年先后在布朗大學(xué)和麻省理工學(xué)院擔(dān)任博士后研究員。曾在中山大學(xué)工作過一年，在2011年加入香港理工大學(xué)。

姚海民副教授的研究興趣包括仿生力學(xué)與材料、納米力學(xué)、接觸力學(xué)、生物材料的力學(xué)表征、能源材料的力學(xué)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(jié)過程中水體積的膨脹，作者報(bào)告了一種具有彈簧狀支柱和潤濕對(duì)比度的結(jié)構(gòu)化彈性表面，無論其撞擊位置如何，這種表面都能使凍結(jié)水滴自發(fā)噴射。

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

時(shí)間尺度上三個(gè)數(shù)量級(jí)的減少可以產(chǎn)生足夠的動(dòng)能來驅(qū)動(dòng)冷凍液滴噴射。作者開發(fā)了一個(gè)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(shè)計(jì)可以通過編號(hào)策略在制造中進(jìn)行擴(kuò)展，從而開辟在除冰、軟機(jī)器人和發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化彈性表面

圖2：SES和對(duì)照樣本上凍結(jié)水滴的行為比較

圖3：凍結(jié)水滴與SES之間動(dòng)態(tài)相互作用的表征和理論建模

圖4：SES上凍結(jié)水滴噴射的相圖和實(shí)際應(yīng)用潛力

綜上，這篇論文研究了一種結(jié)構(gòu)化彈性表面（SES），該表面利用類似彈簧的支柱和潤濕對(duì)比度，能夠在冰點(diǎn)條件下自發(fā)彈射凍結(jié)的水滴，這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)表面設(shè)計(jì)在凍結(jié)環(huán)境下的局限性。

研究結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)SES的結(jié)構(gòu)和機(jī)械屬性，可以有效利用水凍結(jié)時(shí)體積膨脹產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)水滴的自發(fā)彈射，這對(duì)于防冰、軟體機(jī)器人和能量收集、自清潔表面等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

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