特殊的微结构硅表面强烈排斥水滴，使水滴向上弹射。Credit Digit Works / ETH Zurich
如果你在未来几个月乘飞机旅行，你可能会目睹一个冬季的飞行仪式:机翼上的冰雪被一种特殊的液体清除掉。这是必要的，因为空气中的小水滴在特定的天气条件下可能会冻结在飞机的机翼上。这反过来会导致起飞时的湍流气流，从而降低升力，这是一种潜在的危险情况。当然，比这个除冰程序更好的是，翅膀不会让冰滴粘住，甚至不会主动击退它们。在科学杂志上发表的一项研究中自然现在，苏黎世联邦理工学院的研究人员已经表明，从原则上讲，开发对冰和水过敏的材料是可能的。为了做到这一点，他们首先教小水滴如何蹦床。
神秘的力量
Eth教授Dimos Poulikakos和他在新兴技术的热力学实验室的合作者通过将液滴放置在特定处理的刚性硅表面上的液滴，然后在特殊处理的刚性硅表面上进行液滴研究了水滴的行为，然后连续减少了实验室中的空气压力，带有高速相机拍摄液滴。起初，下降在表面上静置一动不动，但在正常大气压围绕第二十二次突然跳起来。在短时间内，液滴最终再次落在表面上，只能再次跳起 - 甚至高于第一次。就像一个运动员在从弹性纸上的每一个反弹时跳跃更高，在每次接触表面后，水滴就会高得多，即使表面完全刚性。This may seem like magic to the layman, but the expert sees, above all, what appears as a violation of fundamental physical laws according to which a body falling on a rigid surface shouldn’t be able spontaneously to gain motional energy that allows it to bounce back higher. Still, the trampolining droplet seems to do precisely that.
液滴与火箭推进
为了了解推动液滴向上的力从何而来，Poulikakos和他的博士后Tom Schutzius和Stefan Jung对液滴的运动进行了详细的分析，并使用热成像相机分析了液滴内部的温度分布。ETH的科学家们近年来已经解开了许多关于水滴的谜团，现在他们发现，自然水分蒸发和材料表面的微结构是蹦床现象的关键。液滴和表面之间的超压，由于蒸发，使液滴向上弹起，就像弹簧的作用一样。
当水滴被冷却到远低于零摄氏度(或“过冷”)时，蒸发会因所谓的“再辉”而增强。这在材料加工中是一个众所周知的效应，例如在回火铁中，当它冷却时，会在短时间内自发地将自身加热到红热。这是因为铁的内部凝固时释放出的潜热。类似的事情也发生在水滴内部:当表面蒸发的水将其冷却到冰点以下时，冰晶开始形成。在这个从液体到固体的相变过程中释放的热量很快将液滴加热到零摄氏度。Schutzius解释说:“这种加热在几毫秒内就会发生，结果就会导致爆炸性蒸发。”这使得液滴再次冷却下来，循环往复。爆炸性的蒸发会在液滴和表面之间产生更高的超压，使液滴像火箭一样迅速上升。
智能表面设计
然而，问题的症结就在表面。它必须是粗糙的，这样水滴才不会粘在上面，但另一方面也不能太粗糙，否则水蒸气会很快从表面的孔隙和裂缝中逸出，火箭效应就会消失在稀薄的空气中。由ETH研究人员生产的微结构硅表面完全满足这些要求:它们由一组规则的微小柱(只有几微米宽)组成，间距约为5微米。
Poulikakos说:“从我们的研究结果中，我们可以推断出表面需要具备什么样的总体品质才能强烈地排斥水和冰，然后据此设计它们。”在他们的实验中，科学家们检查了不同的材料，包括蚀刻铝和碳纳米管。为了让蹦床机制在现实世界中更有用，首先必须让它在正常气压下工作。Poulikakos和他的合作者希望在未来几年内在这个方向上取得进展。如果这一目标得以实现，一系列的应用就会出现，从不结冰的电线到防水和防冰的路面。而且，可能有一天，飞机机翼的除冰可能不再是必要的。
了下:航空+国防
