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滴水穿石！新研究助工程師設(shè)計更耐腐蝕材料

發(fā)布日期： 2022-04-01 11:28:52 來源：科技日報

據(jù)最新一期《自然·通訊》報道，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項首創(chuàng)研究揭示了液滴為何具有腐蝕堅硬表面的能力。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助工程師設(shè)計更好、更耐腐蝕的材料。

該團(tuán)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(chǎn)生如此巨大的影響呢?

此次，通過使用一種新開發(fā)的技術(shù)，研究人員能夠測量隱藏的量，例如液滴對表面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和壓力，這種現(xiàn)象以前只在視覺上進(jìn)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(dá)大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系副教授程翔(音譯)解釋說，“這樣的說法意在教導(dǎo)堅持不懈。即使你很弱，當(dāng)你不斷地做某事時，也會產(chǎn)生影響。但是，當(dāng)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(jī)進(jìn)行視覺分析。明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員的新技術(shù)稱為高速應(yīng)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(xiàn)象。

研究人員發(fā)現(xiàn)，液滴施加的力實際上會隨著撞擊液滴而擴(kuò)散，而不是集中在液滴的中心，并且液滴擴(kuò)散的速度在短時間內(nèi)超過了音速，從而產(chǎn)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(jìn)一步理解液滴沖擊效應(yīng)，還可以幫助工程師設(shè)計更耐腐蝕的表面，擴(kuò)展至戶外設(shè)備的耐用性研究。該團(tuán)隊已計劃擴(kuò)大這項研究，以研究不同的紋理和材料如何改變液滴產(chǎn)生的力。

研究人員表示，為建筑物表面或風(fēng)力渦輪機(jī)葉片噴漆可保護(hù)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(yīng)力，從而設(shè)計出可減輕壓力的特殊表面。(科技日報記者張夢然)