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“滴水穿石”,高速应力显微镜有了定量解释

科技日报记者 张梦然

据最新一期《自然·通讯》报道,美国明尼苏达大学双城分校研究人员领导的一项首创研究揭示了液滴为何具有腐蚀坚硬表面的能力。这一发现可以帮助工程师设计更好、更耐腐蚀的材料。

4.jpg新研究显示了液滴为何具有腐蚀坚硬表面的能力,这一发现可帮助工程师设计出更耐腐蚀的材料。上图显示了液滴在颗粒状沙质表面(左)与坚硬的石膏(右)表面上的影响。
图片来源:明尼苏达大学

该团队一直在研究液滴的影响,从雨滴撞击地面的方式到气溶胶中新冠病毒等病原体的传播。众所周知,缓慢滴落的水滴会随着时间的推移侵蚀表面。但是为什么看似柔软和流动的东西会对坚硬的表面产生如此巨大的影响呢?

此次,通过使用一种新开发的技术,研究人员能够测量隐藏的量,例如液滴对表面产生的剪切应力和压力,这种现象以前只在视觉上进行过研究。

“东西方文化中都有类似‘滴水穿石’的说法。”该论文资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系副教授程翔(音译)解释说,“这样的说法意在教导坚持不懈。即使你很弱,当你不断地做某事时,也会产生影响。但是,当你让像水滴这样柔软的东西碰到像石头这样坚硬的东西时,你不禁会想,为什么水滴撞击会造成损害?这个问题是我们研究的动力。”

过去,液滴撞击只能使用高速摄像机进行视觉分析。明尼苏达大学研究人员的新技术称为高速应力显微镜,通过直接测量液滴撞击表面时下方的力,提供了一种定量的方法来研究这种现象。

研究人员发现,液滴施加的力实际上会随着撞击液滴而扩散,而不是集中在液滴的中心,并且液滴扩散的速度在短时间内超过了音速,从而产生了冲击波通过表面。每个液滴都像一颗小炸弹,爆炸性地释放其冲击能量,这赋予了它随着时间推移侵蚀表面所需的力量。

这项研究不仅有助于进一步理解液滴冲击效应,还可以帮助工程师设计更耐腐蚀的表面,扩展至户外设备的耐用性研究。该团队已计划扩大这项研究,以研究不同的纹理和材料如何改变液滴产生的力。

研究人员表示,为建筑物表面或风力涡轮机叶片喷漆可保护表面,但随着时间推移,雨滴仍可能通过撞击造成损坏。因此,今后的研究将探索能否减少液滴的剪切应力,从而设计出可减轻压力的特殊表面。


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