教授专栏206| 崔华晨：液滴自驱动跳跃机理方面取得突破

弗吉尼亚理工大学机械工程系程江涛教授课题组与香港科技大学（广州）智能制造学域崔华晨教授团队强强合作，在液滴自驱动跳跃机理方面取得重要突破。相关成果以“Bubble-burst-induced Puddle Jumping and Jet Printing”为题，近日发表在《Nature Communications》上。

论文第一作者为程江涛教授课题组毕业博士生黄文格博士，他目前在荷兰特文特大学从事博士后研究，师从著名流体力学家 Detlef Lohse 教授，港科大（广州）崔华晨教授和陈模军教授课题组博士生为共同作者，崔华晨教授、程江涛教授和武汉理工大学明廷臻教授为文章通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69512-y

研究背景

由液滴跳跃介导的界面传输能够实现质量、动量、能量甚至电荷在相界面之间的高效交换。这类界面传输过程的效率在很大程度上取决于液滴的特征尺度。生成微液滴需要克服显著的表面张力，因此其质量和能量传输能力有限。随着液滴尺寸增大，其与环境的相互作用增强，从而提升传输效率。然而，大尺度液滴的跳跃不可避免地受到重力影响——对于水滴，当直径超过 2.7 mm 时，重力会显著抑制其运动性。这种小尺度传输能力不足与大尺度重力抑制之间的矛盾，是液滴界面传输在工业放大应用中的关键瓶颈。

研究内容

尽管过去二十年来，微米至毫米尺度液滴通过并合、撞击回弹以及莱顿弗罗斯特效应等机制实现自驱动跳跃已得到广泛研究，但直径超过毛细长度（约 2.7 mm）的水滴仍难以实现被动跳跃。不同于传统撞击—回弹机制中需要动员整个液滴质量的整体动力学过程，本研究提出的气泡破裂策略激发了一种直接且高度局域化的毛细波冲击，仅涉及液滴底部周缘的局部液体质量。这种局域化的流固相互作用有效抑制了液滴的横向铺展，并显著增强了垂直方向的动量传递，从而实现了厘米尺度液池的出平面跳跃（见图 1）。

图1.气泡破裂导致的厘米尺度液池的跳跃

为深入揭示气泡破裂诱导液滴跳跃的物理机制，本研究首先系统考察了中空液滴的形态演化过程。实验中，在超疏水基底上放置一滴水滴，并向其中缓慢注入空气以形成静态中空液滴。随着气泡液膜的持续排液，嵌入的气泡最终会发生破裂。在气泡破裂后，在毛细力驱动下，破裂的圆孔会以近似圆形方式迅速扩张，并在气泡腔内部及液滴外部激发毛细波（如图 2a，t = 0.4 ms）。其中，气泡腔内的毛细波在腔底汇聚，并于 t = 0.75 ms 触发典型的 Worthington 射流；与此同时，液滴外部的毛细波沿液体-固体界面向下传播，并在 t = 1.25–2.55 ms 期间以近似正向的方式冲击基底。该局域冲击会诱导液滴发生快速回缩，使其质心速度快速上升，最终导致液滴在 t = 6.2 ms 时整体脱离基底，实现稳定的出平面跳跃。

图2. 实验与数值模拟中液滴形态演化的对比

气泡破裂诱导的液滴跳跃起始于毛细波对基底的冲击，因此有必要定量刻画毛细波在冲击过程中的有效参与质量及其传播速度。为此，研究通过比较液滴在冲击前后的形貌变化，对传递毛细波的有效质量与动量进行定量评估。 最初呈球形的中空液滴在液环回缩过程中转变为截断球形。值得注意的是，该中间态的截断球形液滴在完成跳跃后将恢复至其原始的球形状态。因此，通过将截断球形与原始球形进行几何叠加，可以清晰识别出二者之间的非重叠区域，该区域对应于承载并传递毛细波的液滴周缘部分。 定量分析表明，毛细波的有效冲击质量与嵌入气泡半径呈线性关系。进一步的动力学分析显示，尽管毛细波由气泡破裂所激发，其传播速度却与气泡半径无关，而主要由液滴半径所主导。 此外，研究追踪了毛细波峰值的位置演化。结果表明，其径向位移几乎可以忽略，而竖直位移则显著增长，清楚地表明毛细波几乎以法向方式冲击基底。

图 3. 毛细波的有效冲击质量与传播速度

毛细波与基底之间的相互作用将其向下传播的冲击动量高效地重定向为液滴的跳跃动量。 由于毛细波的有效冲击质量随嵌入气泡半径近似呈线性增长，而毛细波的传播速度基本不受气泡尺寸影响，毛细波冲击所携带的动量因而与气泡半径呈线性标度关系。通过将毛细波冲击动量与液滴质心动量的变化进行比较，可以定量评估动量传递效率。 结果表明，约 90% 以上的毛细波冲击动量被高效转化为液滴的跳跃动量。当液滴获得足够的跳跃动量后，其整体脱离基底并上升至最大高度。在这一过程中，液滴质心的动能逐渐转化为重力势能。由于液滴质心获得的初始跃升速度与毛细波冲击动量成正比，而该动量又随气泡半径线性增加，最终导致液滴跳跃高度与气泡半径之间呈现出明确的二次标度关系。

图 4. 毛细波冲击力与液滴跳跃过程中的

动量传递

此外，如图 5d 所示，研究展示了气泡在液滴内部破裂可用于生成具有预设方向的流体射流，其射流速度可达 m/s 量级。在传统液池中，气泡破裂通常由于轴对称毛细波塌陷而产生竖直射流；而在倾斜基底上，受限的中空液滴破坏了轴对称性，从而产生定向射流。基于该机制，气泡破裂诱导的胶体液滴射流可用于三维胶体打印与组装。通过基底孔道向胶体液滴中依次注入气泡，并同步调控基底倾角，可逐次控制射流方向，从而实现可编程图案打印。对应打印结果见图 5g 与 5h。值得强调的是，该气泡破裂打印技术可避免传统电喷射系统中喷嘴易发生的颗粒或墨水堵塞问题，为先进 3D 打印与增材制造中的自适应胶体操控提供了新的可能性。

图 5. 中空液滴被动跳跃的相图及定向喷射控制

结论与展望

本文报道了一种仿生且此前未被探索的策略：通过夹带气泡的破裂，实现厘米尺度水液池在超疏水表面上的快速跳跃，突破了毛细长度对液滴尺寸的限制，同时实现被动而高效的跨界面质量、动量、能量传输。该机制源于三种基本流体过程——气泡破裂、流体射流与液滴跳跃——之间的协同作用。本质上，气泡破裂诱导的毛细波在基底上的直接、局域化冲击显著缩短了冲击时间，抑制了液滴的横向铺展，并促进了毛细波向液滴的动量传递。通过数值模拟、理论分析与实验验证相结合的研究，研究揭示了这一多相参与的跳跃动力学机制，并建立了中空液滴特征参数与跳跃行为之间的标度关系。该方法还可推广至其他流体–固体组合体系，为跨界面传输与可编程三维胶体打印提供新的思路。更重要的是，通过明确毛细波冲击在液滴跳跃中的决定性作用——这一流固相互作用领域中的范式转变——本研究为重新审视长期悬而未决的三相接触线动力学、接触角滞后以及存在毛细不稳定性的流固界面滑移速度问题，开辟了新的研究方向。

教授专栏

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教授简介

崔华晨教授，现任香港科技大学（广州）系统枢纽智能制造学域助理教授。他在2016年本科毕业于山东大学机械工程学院，2020年博士毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA），并于同年留任UCLA增材制造及超材料实验室博士后，2023年加入香港科技大学（广州）。崔华晨博士主要从事先进增材制造、多功能超材料设计制造、微型机器人系统和3D打印医疗设备等方向的研究。他共发表期刊论文、专利及会议20余次，多次以第一作者或共同第一作者身份在国际顶级期刊发表其学术成果，包括Science两篇、Nature Materials两篇、Nature Electronics一篇，相关成果被洛杉矶日报等多家知名媒体报道，也以共同作者身份在Nature Materials, Materials Horizons, Advanced Functional Materials等著名期刊发表论文。

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主编 | 袁冶

责编 | 周姗

核校 | 柳松、许珺、吴倩

来源 | 转载自港科大广州 | 智能制造 公众平台