科技日報記者 張夢然
據最新一期《自然·通訊》報道，美國明尼蘇達大學雙城分校研究人員領導的一項首創研究揭示了液滴為何具有腐蝕堅硬表面的能力。這一發現可以幫助工程師設計更好、更耐腐蝕的材料。
新研究顯示了液滴為何具有腐蝕堅硬表面的能力，這一發現可幫助工程師設計出更耐腐蝕的材料。上圖顯示了液滴在顆粒狀沙質表面（左）與堅硬的石膏（右）表面上的影響。圖片來源：明尼蘇達大學
該團隊一直在研究液滴的影響，從雨滴撞擊地面的方式到氣溶膠中新冠病毒等病原體的傳播。眾所周知，緩慢滴落的水滴會隨著時間的推移侵蝕表面。但是為什么看似柔軟和流動的東西會對堅硬的表面產生如此巨大的影響呢？
此次，通過使用一種新開發的技術，研究人員能夠測量隱藏的量，例如液滴對表面產生的剪切應力和壓力，這種現象以前只在視覺上進行過研究。
“東西方文化中都有類似‘滴水穿石’的說法。”該論文資深作者、明尼蘇達大學化學工程與材料科學系副教授程翔（音譯）解釋說，“這樣的說法意在教導堅持不懈。即使你很弱，當你不斷地做某事時，也會產生影響。但是，當你讓像水滴這樣柔軟的東西碰到像石頭這樣堅硬的東西時，你不禁會想，為什么水滴撞擊會造成損害？這個問題是我們研究的動力。”
過去，液滴撞擊只能使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稱為高速應力顯微鏡，通過直接測量液滴撞擊表面時下方的力，提供了一種定量的方法來研究這種現象。
研究人員發現，液滴施加的力實際上會隨著撞擊液滴而擴散，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超過了音速，從而產生了沖擊波通過表面。每個液滴都像一顆小炸彈，爆炸性地釋放其沖擊能量，這賦予了它隨著時間推移侵蝕表面所需的力量。
這項研究不僅有助于進一步理解液滴沖擊效應，還可以幫助工程師設計更耐腐蝕的表面，擴展至戶外設備的耐用性研究。該團隊已計劃擴大這項研究，以研究不同的紋理和材料如何改變液滴產生的力。
研究人員表示，為建筑物表面或風力渦輪機葉片噴漆可保護表面，但隨著時間推移，雨滴仍可能通過撞擊造成損壞。因此，今后的研究將探索能否減少液滴的剪切應力，從而設計出可減輕壓力的特殊表面。
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