摘要：当我们呼气、咳嗽或打喷嚏时，会释放出无数微小的液滴和气溶胶。它们可能会黏附在桌面、衣物和墙壁等表面上，也可能飞溅、反弹，甚至悬浮在空气中，从而导致环境污染和疾病传播。

当我们呼气、咳嗽或打喷嚏时，会释放出无数微小的液滴和气溶胶。它们可能会黏附在桌面、衣物和墙壁等表面上，也可能飞溅、反弹，甚至悬浮在空气中，从而导致环境污染和疾病传播。

事实上，类似的液滴现象并不仅限于健康领域，在工业生产、农业喷洒和自然环境中也普遍存在。科学家对毫米级的液滴的撞击行为早已进行过深入研究，这类研究常常与喷墨打印等应用相关。然而，对于微米级（1微米=10⁻⁶米）的高速液滴，在疏水表面（不易被水润湿的）的表现，仍知之甚少。

这就引发了一个看似简单、却极具挑战的问题：在什么情况下，水性微滴会反弹？

近年来的研究表明，在疏水表面上，微滴是黏附还是反弹，只取决于它们的大小和流体性质，与入射速度无关。而如今，一项新发表在《美国国家科学院院刊》上的研究显示，速度同样是一个关键因素。

毫米级液滴的规律与微滴的新挑战

过去的研究表明，对于较大的毫米级液滴来说，当它们的速度很慢时，会乖乖黏附在表面上，并摊成一个扁平的水迹；当它们的速度很快时，则往往会飞溅。不过也有一些特别的情况，比如在一层极薄的空气膜或疏水表面上，它们也有可能会反弹。

而当液滴缩小到几十微米时，情况就完全不同了。在这个尺度上，飞溅几乎见不到，取而代之的是：液滴要么被黏住，要么反弹。

在这项新的研究中，研究人员为了揭示是什么决定了微米级液滴是“黏住”还是“反弹”，他们观察了直径约30–50微米的液滴，以1–10米/秒的速度撞击特氟龙疏水表面的过程。

这些碰撞过程极其短暂，仅持续几十微秒，但研究团队利用高速摄像机，将整个过程放慢了10万倍，拍摄到了有可能是迄今为止尺度最小、速度最快的液滴反弹细节。

速度与尺寸是关键

研究结果表明，对于微米级的液滴来说，入射速度实际上是决定其反弹还是黏附的关键因素：当液滴入射的动能足以克服能量耗散和表面黏附时，就会发生反弹。

换言之，液滴只有在一个非常狭窄的“最佳入射速度区间”内，才会发生反弹：如果速度太慢，它会直接黏在表面上；太快，也会黏住。只有处在中间的速度，才能既有足够的动量脱离表面，又不会因过猛而坍缩回表面。

此外，研究人员还发现了与尺寸相关的效应：如果液滴太小，那么无论速度为何，都无法反弹。原因在于液体的黏度会施加一个基本的尺寸限制，阻止了最小液滴的反弹。

从实验到模型

为了理解其中机制，研究人员提出了一个简化的“弹簧-小球模型”。

这个模型表明：液滴就像一个小弹簧球，既有惯性，又受表面张力和黏附力的制约。在理想的、完全疏水的表面上，液滴可以在任意速度下反弹；但在现实世界中，表面总会存在能量耗散或黏附力等影响。因此，对于微米级液滴来说，只有在表面张力、惯性、黏性、黏附力恰好平衡时，才会出现反弹。

接着，研究人员用计算流体动力学模拟验证了实验结果。

总的来说，研究人员发现，疏水表面由于黏附力较弱，会使得水性微滴在撞击时出现一个与速度相关的从“黏住”到“反弹”的转变。他们观察到，只有在惯性足够大、表面黏附又很小的特殊条件下才会反弹。

此外，他们还预测了一个普适性的水性液滴反弹尺寸下限。以特氟龙表面为例，当液滴直径小于25微米时，反弹将完全被抑制；而在更加亲水的表面上，研究人员预计更大范围的液滴尺寸都会表现为黏附。

从打印到防疫

这些发现具有广泛应用，它们不仅揭示了微滴反弹背后的动力学规律，也为喷墨打印、3D打印、农药喷洒，甚至气溶胶研究都提供了新思路。

在印刷领域，了解液滴反弹的速度窗口有助于确保油墨在疏水表面上的稳定沉积；在农业中，它可以为防止农药从叶片表面弹走而给出对策；在健康研究中，它揭示了呼吸道飞沫可能会黏附在家具上，或反弹后悬浮在空气中，从而影响疾病的传播方式。

接下来，研究人员计划探索更多可能影响液滴行为的因素，比如电荷、具有部分固体特性的黏弹性流体，以及能降低表面张力的表面活性剂（类似肥皂的物质）。这些特性在真实环境中广泛存在，并且很可能改变“黏附”与“反弹”的边界。研究人员也期待，它们将揭示出新的、出乎意料的现象。

##参考来源：

来源：原理一点号