文章导读
液滴撞击现象广泛存在于自然界和工程实际中，控制液滴撞后运动对于许多业、农业领域的应用至关重要。近年来，人们对于液滴撞击刚性表面的运动进行了系统的研究。然而，植物叶片和昆虫翅膀等很多生物材料是柔软的，这种特征使得它们在承受雨滴冲击时具有优异的力学特性和生物功能。由于液滴与柔性表面撞击过程中存在复杂的固液相互作用以及高度耦合的变形行为，因此为预测和调控柔性表面液滴动力学带来了巨大的挑战。
当雨滴落在一片柔软且具有超疏水性的金丝草叶片上，叶子可以灵活地将雨滴抛向各个方向（图1）；当雨滴落在一片超疏水的玻璃上，其反弹方向则几乎保持不变。河南农业大学宋美荣教授团队和清华大学冯西桥教授团队受上述自然现象启发，采用弹性超疏水悬臂梁作为基底，提出了一种精准调控液滴弹跳运动的新方法，并实现了液滴反弹方向和落点位置的理论预测和程序化控制。该成果以“Target slinging of droplets with a flexible cantilever”为题发表在《Droplet》期刊上（封面文章）。
图1 液滴撞击金丝草叶片、超疏水玻璃片和弹性尼龙纤维编织材料的动态过程
为了阐明基底弹性的影响，研究者通过理论建模和数值模拟揭示了其在控制液滴运动、调节固液之间的力传递和能量转换方面的重要性。基于双向流固耦合的计算方法，发现弹性悬臂梁不仅有利于降低系统能量损耗，而且大幅减小了液滴对固体表面的冲击力，相比刚性结构，弹性悬臂梁受到的最大冲击力可减小约40%（图2）。
图2 液滴撞击弹性悬臂梁的流固耦合数值模拟结果
定量的实验结果和量纲分析进一步揭示了液滴反弹方向关于韦伯数和悬臂梁刚度的标度律（图3），由此提出了弹性基底上液滴反弹方向的预测方法。并实现了液滴编程化定向投掷和精准传输（图4）。
图3 液滴反弹方向的预测
图4 定向投掷和精准传输的液滴弹弓
这项工作促进了人们对液滴撞击自然现象的理解，为液滴和能量输运开辟了一条新途径，并在预测植物病原体传播等方面具有潜在应用。相较于其他液滴定向弹跳调控方法，该策略具有精度高、范围广、制备成本低、抑制液滴破碎等优势。
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原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/dro2.72
作者简介
宋美荣
通讯作者
宋美荣，女，1977年生，博士，河南农业大学理学院教授，博士生导师，河南省高层次人才国际化培养对象，河南省教育厅学术技术带头人，河南农业大学仿生应用化学创新团队带头人。主持国家自然科学基金2项、国家重大科学计划及国家重点研发计划子课题各1项、河南省重点研发计划1项。主要研究方向为新型撞击动力学及其在农业中的应用研究，在Sci. Adv.、NPG Asia Mater.、ACS Nano及J. Mater. Chem. A等杂志上发表SCI论文30余篇，高被引论文1篇。
冯西桥
通讯作者
冯西桥，男，1968年生。清华大学教授、教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者，现任中国力学学会副理事长、北京国际力学中心秘书长、国际断裂学会执行委员、国际著名期刊《Engineering Fracture Mechanics》主编及《Applied Physics Letters》等十余种SCI期刊的副主编、编委或顾问。主要研究方向包括微纳米力学、生物材料力学与仿生、细胞力学、细观损伤与断裂力学等，发表SCI论文400余篇，他引16000多次，连续9年入选Elsevier高被引学者，获国家自然科学二等奖、中国高校自然科学奖一等奖3项等。
方维
共同第一作者
方维，男，1993年生。清华大学航院博士后、助理研究员、水木学者。于2021年在清华大学获工学博士学位，师从冯西桥教授。主要从事生物材料力学与仿生、表面与界面力学、细胞力学等研究。
王顺
共同第一作者
王顺，女，1985年生，博士。河南省农业大学理学院实验师，硕士生导师。于2019年加入河南农业大学仿生应用化学创新团队，主要从事新型撞击动力学及其在农业中的应用研究。
段虎
共同第一作者
段虎，男，1994年生。河南省农业大学硕士研究生，导师宋美荣教授，主要从事新型撞击动力学。
期刊简介
Droplet（《液滴》）是由吉林大学主办，与国际著名出版公司Wiley合作出版的英文国际性学术期刊，是国际上第一本全面报道液滴／气泡交叉领域科研成果的学术期刊。目前为季刊，主要发表液滴／气泡相关领域的原创性研究论文、综述及评论性文章，重点报道与液滴／气泡相关的结构、材料和系统设计、制备和调控等方面的基础研究及工程应用。现任主编为中国科学院院士任露泉教授、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校C.J.Kim教授。执行主编由香港理工大学王钻开教授担任。
目前，Droplet（《液滴》）已通过全球最具影响力的开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journals, DOAJ）评估，正式被DOAJ数据库收录。本刊旨在成为跨学科的高水平学术交流平台，展示液滴和气泡相关领域的前沿研究成果，推进国际科研传播与合作。
编辑部总编：张成春教授，副总编：王丹编审。
