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水滴在玩蹦床,会发生什么

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

把装满水的气球扔到整齐排列着钉子的木板上会发生什么?气球破掉、水花四溅?这可不一定。事实上,在合适的条件下,水气球可以从钉板上完好无损地蹦起来:

说到超疏水表面,很多人可能已经感觉不陌生了。在荷叶表面,圆圆的水滴滚落,不会润湿表面,而如果是水滴从高处滴落到超疏水表面上,它们甚至还能弹跳起来。

澳门新葡8455手机版 1弹起来了!原视频来自:Roskilde Universitet, Naturvidenskab

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在实验室里,罗斯基勒大学(Roskilde University)的物理学家蒂娜·赫克歇尔(Tina Hecksher)和她的学生们用高速摄影机记录下了这番景象。不仅如此,他们还将玩耍水球的心得写成论文,并发表到了《欧洲物理期刊》(European Journal of Physics)上。这是怎么回事?

从高处下落的水滴在超疏水表面上弹跳。原视频来自:UniversityRochester
但是,如果是原本静止的水滴,有没有办法能让它自己“蹦起来”呢?最近,瑞士苏黎世理工大学布里卡克斯(Poulikakos)教授的课题组就让疏水表面上的水滴自发地弹跳了起来,这一发现于11月4日发表在了《自然》(Nature)期刊上[1]
(点击此处可阅读论文全文)。

“薄饼弹跳”

其实,这是在重现一种独特的流体力学现象,它被称为“薄饼弹跳”(pancake bounce)。这种现象最初是在超疏水表面上观察到的。

说到疏水材料,许多人会首先想到荷叶。荷叶表面覆盖着蜡质,同时又有很多刷子状的微观凸起结构,因此它与水很不亲和。科学家们制作人工的超疏水材料也是采取了这样的思路,超疏水材料对水滴是如此“拒绝”,水滴落在上面是不但不会润湿表面,还会在表面上弹跳,就像是蹦床上的运动员一样。

澳门新葡8455手机版 3弹起水滴的超疏水表面。原视频来自:UniversityRochester

如果仔细观察这些弹跳的小水滴,一般会看到它们在撞上疏水表面之后先是被“压扁”,然后再逐渐回缩,恢复原来的形状,再从表面上弹起来。但是,在特定情况下,小水滴却会以截然不同的状态蹦起来——它们在腾空时依然保持着被“压扁”的样子,这就是“薄饼弹跳”(pancake bounce)了。

澳门新葡8455手机版 4就像这样,看到飞起的“水滴饼”了吗?原视频来自:Roskilde Universitet, Naturvidenskab

在排列着整齐凸起的超疏水表面上就能观察到水滴的“薄饼弹跳”,但遗憾的是,由于突起阵列间的间距只有0.2毫米,它们只能在显微镜下进行观察,也不方便物理学家进行深入研究。

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用钉板做一张“大荷叶”

于是,赫克歇尔博士在指导学生观察这个有趣的现象时,提出了一个大胆的假设:我们能不能把尺度放大,把这种现象带进宏观世界呢?这样一来,观察和测量就会变得很方便了。但是,这能做到吗?

答案是:真的能。

他们将256个钉子布置在平板上,做成一个大的钉子板阵列。钉子彼此之间距离约为1.85厘米,以模拟亚毫米级疏水材料表面密集的刷毛状突起。如此以来,他们制作出一个相当于“放大了100倍的荷叶表面”。随后,为了增大宏观下“大水滴”的表面张力,他们选用装满水的气球来代替水滴。同时,采用一个数码相机以每秒300帧的频率记录冲击发生时的慢动作,并在平板下放置压电传感器来记录冲击力。

实验中,他们让装满水的气球以不同速度落在钉板表面,并观察气球的变形情况。结果,当气球下落的速度超过一定临界值之后,可爱的“薄饼弹跳”出现了。对比显示,在放大了一百倍的钉板上,水球的表现和疏水表面上的水滴非常相似。

澳门新葡8455手机版 6对比一下落在平板和钉板上的水球, 右边弹起时保持着“饼状”。原视频来自:Roskilde Universitet, Naturvidenskab

澳门新葡8455手机版 7澳门新葡8455手机版 ,再来看看分解动作。

进一步的研究显示,下落的水球之所以会出现“薄饼弹跳”,是因为钉板具有空隙(超疏水表面的凸起也是如此)。当水球撞击钉板时,它会部分陷入钉子阵列中,并在气球膜的作用下受到回缩的弹力(对于水滴而言,则是表面张力)。随后,气球迅速被反弹回去,整个水球就像是受到弹簧的弹力一样,“圆饼”形状还没来得及恢复就整个腾空而起了。

从疏水表面上自己跳起来的水滴。原视频来自:T M Schutzius et al.
水滴究竟是怎么自己蹦起来的?答案其实就是降低周围环境的气压。研究者们先让小水滴静止在超疏水表面上,然后降低周围的气压。当气压降低到一定程度之后,水滴自己就会蹦跳起来,并且还像蹦床运动员一样能够越跳越高。
水滴为什么会蹦高?
要解释这背后的原因,还要从超疏水表面的微观结构开始说起。在自然界,最有名的疏水表面是荷叶,它的表面有细小的微观粗糙结构,还包裹着不亲水的表皮蜡,这些结构托起水滴,减小了固体和液体的接触面积,使水滴处于“半悬空”的状态。

简单又有趣

经过如此简单而巧妙的实验设计,这种独特的液滴弹跳现象被放大到了肉眼可见的程度,小水滴在疏水材料表面弹跳的奥秘也随之真相大白。液滴在弹跳时容易发生破裂,而水球则更容易保持完整,测量起来也很方便。因此,研究者们希望利用这个放大版的模型来进行更多研究。

此外,这个实验简便又直观,也很适合走进课堂,用来给学生做演示。你也一样可以自己动手,制作在钉板上蹦跳的水球。

不过要注意:这个实验并非总能成功。研究者表示,超过1.5米的下落就会让水球破裂,钉子太少或是气球膜不均匀时,气球也可能会破掉。小心不要弄得一身水哦。

澳门新葡8455手机版 8研究者也有失手的时候……原视频来自:Roskilde Universitet, Naturvidenskab

(编辑:窗敲雨)

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参考资料:

  1. Jonas Andersen Bro et al, The macroscopic pancake bounce, European Journal of Physics (2017).  DOI: 10.1088/1361-6404/38/1/015006
  2. Yahua Liu, Lisa Moevius,   Xinpeng Xu, et al. Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics 10, 515–519 (2014) doi:10.1038/nphys2980

荷叶表面粗糙的微观结构。
在这里,研究者们所使用的超疏水表面也有类似的结构,当水滴“坐”在上面时,其实是刷子状的细微突起和空隙中的空气共同托起了它。

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超疏水表面的柯西模型[2]示意图。
在密闭环境下,当环境气压降低并保证较低的环境湿度时,水分子的扩散就会加剧,从而加速液体蒸发。当然,蒸发的方向是四面八方的,水滴的下方也不例外。而当水滴“坐”在超疏水表面上时,水滴在下部的蒸发就会受到阻碍。超疏水表面的空隙是开放的,但即使如此,空气在其中依然不能那么顺畅的流动。这样一来,随着水滴的蒸发,在水滴下方水蒸气就会聚集起来,产生一个过压强(overpressure)。这个额外的压强会给水滴一个向上的力,当压力超过了重力加上水与基底的黏附力时,水滴会被顶得跳起来啦。当然,在设计超疏水基底的时候要保证结构足够矮,足够拥挤,才能使气体流通不顺畅。
水滴被弹起之后获得了动能,当上升到一定高度之后自然会下落碰撞超疏水表面。超疏水表面对水的黏附力极低,因此水滴在碰撞超疏水表面时不会因黏附而损失很多能量,并且会在表面弹跳[4]

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积攒在凸起之间的水蒸气让水滴跳了起来。图片来自:参考资料3
此外,碰撞时基底结构中的水蒸气又会助水滴“一臂之力”,从而水滴在每一次碰撞时都会获得一个加速度,进而越蹦越高,就像一个蹦床运动员一样。

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