黏住，還是反彈？

當我們呼氣、咳嗽或打噴嚏時，會釋放出無數微小的液滴和氣溶膠。它們可能會黏附在桌面、衣物和墻壁等表面上，也可能飛濺、反彈，甚至懸浮在空氣中，從而導致環境污染和疾病傳播。

事實上，類似的液滴現象并不僅限于健康領域，在工業生產、農業噴灑和自然環境中也普遍存在。科學家對毫米級的液滴的撞擊行為早已進行過深入研究，這類研究常常與噴墨打印等應用相關。然而，對于微米級（1微米=10??米）的高速液滴，在疏水表面（不易被水潤濕的）的表現，仍知之甚少。

這就引發了一個看似簡單、卻極具挑戰的問題：在什么情況下，水性微滴會反彈？

近年來的研究表明，在疏水表面上，微滴是黏附還是反彈，只取決于它們的大小和流體性質，與入射速度無關。而如今，一項新發表在《美國國家科學院院刊》上的研究顯示，速度同樣是一個關鍵因素。

毫米級液滴的規律與微滴的新挑戰

過去的研究表明，對于較大的毫米級液滴來說，當它們的速度很慢時，會乖乖黏附在表面上，并攤成一個扁平的水跡；當它們的速度很快時，則往往會飛濺。不過也有一些特別的情況，比如在一層極薄的空氣膜或疏水表面上，它們也有可能會反彈。

而當液滴縮小到幾十微米時，情況就完全不同了。在這個尺度上，飛濺幾乎見不到，取而代之的是：液滴要么被黏住，要么反彈。

在這項新的研究中，研究人員為了揭示是什么決定了微米級液滴是“黏住”還是“反彈”，他們觀察了直徑約30–50微米的液滴，以1–10米/秒的速度撞擊特氟龍疏水表面的過程。

這些碰撞過程極其短暫，僅持續幾十微秒，但研究團隊利用高速攝像機，將整個過程放慢了10萬倍，拍攝到了有可能是迄今為止尺度最小、速度最快的液滴反彈細節。

速度與尺寸是關鍵

研究結果表明，對于微米級的液滴來說，入射速度實際上是決定其反彈還是黏附的關鍵因素：當液滴入射的動能足以克服能量耗散和表面黏附時，就會發生反彈。

換言之，液滴只有在一個非常狹窄的“最佳入射速度區間”內，才會發生反彈：如果速度太慢，它會直接黏在表面上；太快，也會黏住。只有處在中間的速度，才能既有足夠的動量脫離表面，又不會因過猛而坍縮回表面。

此外，研究人員還發現了與尺寸相關的效應：如果液滴太小，那么無論速度為何，都無法反彈。原因在于液體的黏度會施加一個基本的尺寸限制，阻止了最小液滴的反彈。

從實驗到模型

為了理解其中機制，研究人員提出了一個簡化的“彈簧-小球模型”。

這個模型表明：液滴就像一個小彈簧球，既有慣性，又受表面張力和黏附力的制約。在理想的、完全疏水的表面上，液滴可以在任意速度下反彈；但在現實世界中，表面總會存在能量耗散或黏附力等影響。因此，對于微米級液滴來說，只有在表面張力、慣性、黏性、黏附力恰好平衡時，才會出現反彈。

接著，研究人員用計算流體動力學模擬驗證了實驗結果。

總的來說，研究人員發現，疏水表面由于黏附力較弱，會使得水性微滴在撞擊時出現一個與速度相關的從“黏住”到“反彈”的轉變。他們觀察到，只有在慣性足夠大、表面黏附又很小的特殊條件下才會反彈。

此外，他們還預測了一個普適性的水性液滴反彈尺寸下限。以特氟龍表面為例，當液滴直徑小于25微米時，反彈將完全被抑制；而在更加親水的表面上，研究人員預計更大范圍的液滴尺寸都會表現為黏附。

從打印到防疫

這些發現具有廣泛應用，它們不僅揭示了微滴反彈背后的動力學規律，也為噴墨打印、3D打印、農藥噴灑，甚至氣溶膠研究都提供了新思路。

在印刷領域，了解液滴反彈的速度窗口有助于確保油墨在疏水表面上的穩定沉積；在農業中，它可以為防止農藥從葉片表面彈走而給出對策；在健康研究中，它揭示了呼吸道飛沫可能會黏附在家具上，或反彈后懸浮在空氣中，從而影響疾病的傳播方式。

接下來，研究人員計劃探索更多可能影響液滴行為的因素，比如電荷、具有部分固體特性的黏彈性流體，以及能降低表面張力的表面活性劑（類似肥皂的物質）。這些特性在真實環境中廣泛存在，并且很可能改變“黏附”與“反彈”的邊界。研究人員也期待，它們將揭示出新的、出乎意料的現象。

##參考來源：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2507309122

https://www.phy.cam.ac.uk/news/why-tiny-droplets-stick-or-bounce-the-physics-of-speed-and-size/

#圖片來源：

封面圖&首圖：Anton Souslov