科學家解開柔軟液滴如何侵蝕堅硬表面的謎團

多年來，研究人員一直在研究液滴的影響，從雨滴落地的方式到氣溶膠中病原體（如COVID-19）的傳播。眾所周知，緩慢滴落的水滴會隨著時間的推移侵蝕表面。但為什么看似柔軟和流動的東西能對堅硬的表面產(chǎn)生如此巨大的影響呢？

這項研究的論文第一作者、明尼蘇達大學化學工程和材料科學系副教授Xiang Cheng解釋道：“在東方和西方文化中都有類似的說法，‘滴水穿石’。這樣的諺語意在傳授一個道德課：‘要堅持不懈。即使你很軟弱，當你持續(xù)不斷地做某件事情時你會產(chǎn)生影響’。但當你有像水滴這樣柔軟的東西撞擊像巖石這樣堅硬的東西時，你不禁要問：‘為什么水滴撞擊會造成任何損害？’這個問題是促使我們進行研究的原因?！?/p>

在過去，液滴的沖擊只用高速攝像機進行視覺分析。明尼蘇達大學研究人員的新技術(shù)--稱為高速應力顯微鏡則通過直接測量液滴撞擊表面時在其下方的力、應力和壓力為研究這一現(xiàn)象提供了一種更加定量的方法。

研究人員發(fā)現(xiàn)，液滴施加的力實際上會隨著撞擊的液滴擴散，而不是集中在液滴的中心，并且液滴擴散的速度在短時間內(nèi)超過了音速并在表面上形成了沖擊波。每個液滴的行為就像一個小炸彈，爆炸性地釋放其沖擊能量并給予它必要的力量來長期侵蝕表面。

除了為研究液滴沖擊鋪設(shè)一條新的途徑外，這項研究還可以幫助工程師為必須經(jīng)受戶外元素的應用設(shè)計更多的抗侵蝕表面。對此，Cheng和他在明尼蘇達大學雙城分校的實驗室已經(jīng)計劃擴大這項研究以展開針對不同紋理和材料如何改變液滴產(chǎn)生的力的大小的研究。