黏住，還是反彈？

當(dāng)我們呼氣、咳嗽或打噴嚏時(shí)，會(huì)釋放出無(wú)數(shù)微小的液滴和氣溶膠。它們可能會(huì)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(dǎo)致環(huán)境污染和疾病傳播。

事實(shí)上，類(lèi)似的液滴現(xiàn)象并不僅限于健康領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)噴灑和自然環(huán)境中也普遍存在。科學(xué)家對(duì)毫米級(jí)的液滴的撞擊行為早已進(jìn)行過(guò)深入研究，這類(lèi)研究常常與噴墨打印等應(yīng)用相關(guān)。然而，對(duì)于微米級(jí)（1微米=10??米）的高速液滴，在疏水表面（不易被水潤(rùn)濕的）的表現(xiàn)，仍知之甚少。

這就引發(fā)了一個(gè)看似簡(jiǎn)單、卻極具挑戰(zhàn)的問(wèn)題：在什么情況下，水性微滴會(huì)反彈？

近年來(lái)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(zhì)，與入射速度無(wú)關(guān)。而如今，一項(xiàng)新發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的研究顯示，速度同樣是一個(gè)關(guān)鍵因素。

毫米級(jí)液滴的規(guī)律與微滴的新挑戰(zhàn)

過(guò)去的研究表明，對(duì)于較大的毫米級(jí)液滴來(lái)說(shuō)，當(dāng)它們的速度很慢時(shí)，會(huì)乖乖黏附在表面上，并攤成一個(gè)扁平的水跡；當(dāng)它們的速度很快時(shí)，則往往會(huì)飛濺。不過(guò)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(huì)反彈。

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

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員為了揭示是什么決定了微米級(jí)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(guò)程。

這些碰撞過(guò)程極其短暫，僅持續(xù)幾十微秒，但研究團(tuán)隊(duì)利用高速攝像機(jī)，將整個(gè)過(guò)程放慢了10萬(wàn)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(xì)節(jié)。

速度與尺寸是關(guān)鍵

研究結(jié)果表明，對(duì)于微米級(jí)的液滴來(lái)說(shuō)，入射速度實(shí)際上是決定其反彈還是黏附的關(guān)鍵因素：當(dāng)液滴入射的動(dòng)能足以克服能量耗散和表面黏附時(shí)，就會(huì)發(fā)生反彈。

換言之，液滴只有在一個(gè)非常狹窄的“最佳入射速度區(qū)間”內(nèi)，才會(huì)發(fā)生反彈：如果速度太慢，它會(huì)直接黏在表面上；太快，也會(huì)黏住。只有處在中間的速度，才能既有足夠的動(dòng)量脫離表面，又不會(huì)因過(guò)猛而坍縮回表面。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了與尺寸相關(guān)的效應(yīng)：如果液滴太小，那么無(wú)論速度為何，都無(wú)法反彈。原因在于液體的黏度會(huì)施加一個(gè)基本的尺寸限制，阻止了最小液滴的反彈。

從實(shí)驗(yàn)到模型

為了理解其中機(jī)制，研究人員提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的“彈簧-小球模型”。

這個(gè)模型表明：液滴就像一個(gè)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(xiàn)實(shí)世界中，表面總會(huì)存在能量耗散或黏附力等影響。因此，對(duì)于微米級(jí)液滴來(lái)說(shuō)，只有在表面張力、慣性、黏性、黏附力恰好平衡時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)反彈。

接著，研究人員用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總的來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)，疏水表面由于黏附力較弱，會(huì)使得水性微滴在撞擊時(shí)出現(xiàn)一個(gè)與速度相關(guān)的從“黏住”到“反彈”的轉(zhuǎn)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(huì)反彈。

此外，他們還預(yù)測(cè)了一個(gè)普適性的水性液滴反彈尺寸下限。以特氟龍表面為例，當(dāng)液滴直徑小于25微米時(shí)，反彈將完全被抑制；而在更加親水的表面上，研究人員預(yù)計(jì)更大范圍的液滴尺寸都會(huì)表現(xiàn)為黏附。

從打印到防疫

這些發(fā)現(xiàn)具有廣泛應(yīng)用，它們不僅揭示了微滴反彈背后的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，也為噴墨打印、3D打印、農(nóng)藥噴灑，甚至氣溶膠研究都提供了新思路。

在印刷領(lǐng)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(wěn)定沉積；在農(nóng)業(yè)中，它可以為防止農(nóng)藥從葉片表面彈走而給出對(duì)策；在健康研究中，它揭示了呼吸道飛沫可能會(huì)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(lái)，研究人員計(jì)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(lèi)似肥皂的物質(zhì)）。這些特性在真實(shí)環(huán)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(xiàn)象。

##參考來(lái)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(lái)源：

封面圖&首圖：Anton Souslov