當(dāng)我們呼氣、咳嗽或打噴嚏時，會釋放出無數(shù)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(dǎo)致環(huán)境污染和疾病傳播。

事實上，類似的液滴現(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(yīng)用相關(guān)。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(xiàn)，仍知之甚少。

這就引發(fā)了一個看似簡單、卻極具挑戰(zhàn)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(zhì)，與入射速度無關(guān)。而如今，一項新發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究顯示，速度同樣是一個關(guān)鍵因素。

毫米級液滴的規(guī)律與微滴的新挑戰(zhàn)

過去的研究表明，對于較大的毫米級液滴來說，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xù)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(jié)。

速度與尺寸是關(guān)鍵

研究結(jié)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(guān)鍵因素：當(dāng)液滴入射的動能足以克服能量耗散和表面黏附時，就會發(fā)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(qū)間”內(nèi)，才會發(fā)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(fā)現(xiàn)了與尺寸相關(guān)的效應(yīng)：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(xiàn)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(xiàn)反彈。

接著，研究人員用計算流體動力學(xué)模擬驗證了實驗結(jié)果。

總的來說，研究人員發(fā)現(xiàn)，疏水表面由于黏附力較弱，會使得水性微滴在撞擊時出現(xiàn)一個與速度相關(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反彈。

此外，他們還預(yù)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(dāng)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(yù)計更大范圍的液滴尺寸都會表現(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(zhì)）。這些特性在真實環(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