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段慧玲课题组在超疏水表面水下超长稳定性方面取得重要进展

2017-09-29

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澳门新葡8455最新网站力学与工程科学系、应用物理与技术研究中心段慧玲">段慧玲教授课题组在超疏水表面水下超长稳定性方面取得了重要进展,研究成果于9月27日在线发表在美国《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,题为“Ultimate Stable Underwater Superhydrophobic State”【Phys. Rev. Lett.119, 134501, (2017)】。美国物理学会网站Physics Synopsis栏目将该成果以“How to Make Superhydrophobicity Last”为题作为亮点进行报道和评述,指出“研究人员发现了技术诀窍,大大延长了超疏水表面在水下工作的寿命(Researchers find tricks to prolong the typically short-lived water repellency of a superhydrophobic surface)”。

在自然界中,许多水生植物和昆虫由于生存需要,当没入水下时,身体表面的微结构中会含有大量气体,以保证它们能在水下维持呼吸等生命活动。除此之外,气层的存在还使得动植物表面具有自清洁、防粘附等特性。受自然界启发,人们制备出可以在表面微结构中封存气体的仿生功能表面。由于这种仿生功能表面在流动中具有极好的减阻效果,在船舶、水下飞行器减阻中具有极大的应用前景。然而,在水压、流动等因素的影响下,该气层会逐渐失去稳定甚至消失,使得这些功能表面失去原有性能。因此,气层在水下,尤其是深水、大压强下保持稳定存在,是这些功能表面水下应用的最大挑战之一。

澳门新葡www.8455.com最新网站段慧玲">段慧玲教授课题组通过考虑水中溶解气体饱和度与气穴内的溶解扩散平衡,实现了超疏水状态在水下保持长时间的稳定。通过建立广义的热力学理论框架,绘制了不同条件下气层能否保持长时间稳定状态的相图。通过共聚焦显微镜,原位观测了人造仿生功能表面和新鲜荷叶表面在不同实验条件下的气层演化过程,发现通过调控水中溶解气体饱和度,可以实现超疏水状态长时间的稳定,并给出不同环境压强下,气层可保持稳定状态的水中溶解气体饱和度界限,该结果与理论预测高度一致。通过对荷叶的研究,证实了气层的长时间稳态可以在任意粗糙的表面上实现。本研究揭示了水下微结构内气层稳定存在的机理,对具有疏水性质的仿生功能表面在水下,尤其是大水深、高压强下的应用具有非常重要的引导意义。


图1,(a),(b)显示在1.5个大气压下,饱和的水中,荷叶表面气层可以长时间稳定存在;(c),(d)表示,在不饱和的水中,气层很快会消失


图2,不同参数下超长稳定疏水状态与不稳定状态的相图

段慧玲">段慧玲教授课题组在过去几年一直致力于超疏水表面水下浸润状态稳定性和减阻等方面的研究,并取得了一系列成果,发表在国际重要期刊 (Phys. Rev. Lett. 112, 196101, 2014 ; Physics of Fluids 27, 092003, 2015 ; Physics of Fluids 29, 032001, 2017)。此外,在国际应用力学权威综述期刊应邀发表综述论文(Appl. Mech. Rev. 68, 030803, 2016 ),并获得美国机械工程师协会The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award (2016)。

论文第一编辑是澳门新葡8455最新网站力学与工程科学系研究生相耀磊。本研究工作得到了国家自然科学基金的支撑。

 

 
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