仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响

作     者：周鹏 胡建华 李蓓 ZHOU Peng;HU Jian-hua;LI Bei

作者机构：武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430070 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2023年第52卷第8期

页      面：355-362,379页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室开放课题研究基金(P2021-009) 

主　　题：仿生表面 纳米阵列 亲疏水比 楔形顶角 冷凝 定向运动 分子动力学模拟 

摘      要：目的提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。方法借鉴典型生物微纳结构及表面特性,采用分子动力学方法,建立水汽冷凝演化模型,分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。结果液滴在方形阵列结构中易钉扎,不利于去除;在矩形阵列结构中具有较好的流动性,且相对方形阵列表面凝结量提升了30.8%。随着亲疏水比θ的增加,沉积在阵列间隙的水分子数增多,钉扎效应加剧,更易形成膜状冷凝;相反地,θ越小,液滴倾向形成滴状冷凝并呈现Cassie态。调整楔形阵列的顶角α可以有效实现液滴的定向运动。当α为3°或6°时,楔形结构能够产生足够的Laplace压力差,驱使液滴定向运动;当α为9°或12°时,能够引导液滴在楔形结构尾端聚集,并融合成更大尺寸的液滴,凝结量相对α为0°分别提升了210.7%和193.0%,收集效率显著提高。相比于单一的仿生表面,结合沙漠甲虫和仙人掌的耦合集水策略设计出的双重仿生结构在凝结量及最大液滴尺寸上均有明显提升,有效提高了液滴的冷凝及收集效率。结论通过调节纳米阵列形貌和楔形顶角,并合理设置亲疏水比,可有效提高液滴冷凝及收集效率。研究结果为强化冷凝功能的仿生表面设计提供了一定的理论指导。