研究人员发现减少超疏水表面阻力的关键可以归结为一个参数

有时，最复杂的问题可以用最简单的方法解决。加州大学圣巴巴拉分校的研究人员就是这种情况，因为他们试图解决一个长期存在的流体摩擦问题——物体在流体中移动时的阻力，或者相反，流体在其周围或通过它流动的静止物体之间的阻力。它也被称为阻力。

“我们已经建立了一个理论，但这是一个非常混乱的问题，”机械工程教授保罗卢扎托-费吉兹说。他们的问题特别涉及超疏水表面(SHS)，这被视为解决阻力问题的潜在解决方案，阻力是一种降低物体在水中行驶效率的现象，例如货船，并增加泵送液体通过的能量消耗管道。

他们对有效SHS的计算包含10个复杂参数，但事实证明，预测SHS是否会按预期运行的能力归结为只有一个。他们的研究发表在美国国家科学院院刊上。

进入最佳状态

Luzzatto-Fegiz解释说，超疏水表面旨在通过产生微小的气穴来最大程度地减少表面与流体之间的接触。一个很好的例子就是将新鲜的羽衣甘蓝浸泡在水中。由于微观表面结构，叶子会被银色光泽覆盖——气泡网络可防止水接触叶子表面，也称为荷花效应。

对于植物来说，超疏水性会产生自我清洁效果，并有助于防止真菌感染等水生条件。对于无生命的表面，相同的属性会减少阻力。但是，尽管这个概念是合理的，但在实践中，由于表面活性剂、降低气泡中水和空气之间张力的化合物，表面图案化并没有达到预期的效果。Luzzatto-Fegiz说，在现实世界中，表面活性剂是不可避免的，即使是微量也足以抵消SHS的性能。

在设计克服表面活性剂影响的表面的过程中，研究人员不得不应对复杂的计算，不仅涉及流体力学(已经很复杂)，还涉及表面活性剂分子的物理学。

“我们需要模型来了解这些东西如何在水中移动，它们如何从水中跳到界面，它们是如何运输的，”他说。但在他们的实验、建模和计算过程中，出现了一个似乎压倒所有其他参数的参数：气泡的长度。

“当我们查看数学时，我们决定将自己限制在可能发生的事情上，”Luzzatto-Fegiz说。“很多参数在现实中无法改变那么多。”有了这个限制，他们意识到可以抵消几个因素，只留下微小凹槽的长度尺度。简而言之，产生气穴的微小光栅越长，表面活性剂分子的影响就越小。

事实证明，存在一个临界气穴长度，这取决于表面活性剂的类型及其浓度。“如果你把光栅做得更长，通常长约10厘米，表面活性剂就无法完全抵抗流体运动，”他说。“而且你可以获得人们20年来一直追求的理想减阻效果。”

随着这些计算得到很好的解决，研究人员将开始研究其他类型的SHS模式，例如微小的柱子，以及其他现实生活中的情况，例如湍流和其他不稳定流。能够在各种情况下减少阻力将导致更省油的货船、更有效的泵和在流水中更具弹性的结构。