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　　段慧玲課題組在超疏水表面水下超長(zhǎng)穩(wěn)定性方面取得重要進(jìn)展

　　北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系、應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心段慧玲">段慧玲教授課題組在超疏水表面水下超長(zhǎng)穩(wěn)定性方面取得了重要進(jìn)展，研究成果于9月27日在線發(fā)表在美國《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，題為“Ultimate Stable Underwater Superhydrophobic State”【Phys. Rev. Lett.119, 134501, (2017)】。美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics Synopsis欄目將該成果以“How to Make Superhydrophobicity Last”為題作為亮點(diǎn)進(jìn)行報(bào)道和評(píng)述，指出“研究人員發(fā)現(xiàn)了技術(shù)訣竅，大大延長(zhǎng)了超疏水表面在水下工作的壽命(Researchers find tricks to prolong the typically short-lived water repellency of a superhydrophobic surface)”。

　　在自然界中，許多水生植物和昆蟲由于生存需要，當(dāng)沒入水下時(shí)，身體表面的微結(jié)構(gòu)中會(huì)含有大量氣體，以保證它們能在水下維持呼吸等生命活動(dòng)。除此之外，氣層的存在還使得動(dòng)植物表面具有自清潔、防粘附等特性。受自然界啟發(fā)，人們制備出可以在表面微結(jié)構(gòu)中封存氣體的仿生功能表面。由于這種仿生功能表面在流動(dòng)中具有極好的減阻效果，在船舶、水下航行器減阻中具有極大的應(yīng)用前景。然而，在水壓、流動(dòng)等因素的影響下，該氣層會(huì)逐漸失去穩(wěn)定甚至消失，使得這些功能表面失去原有性能。因此，氣層在水下，尤其是深水、大壓強(qiáng)下保持穩(wěn)定存在，是這些功能表面水下應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)之一。

　　工學(xué)院段慧玲">段慧玲教授課題組通過考慮水中溶解氣體飽和度與氣穴內(nèi)的溶解擴(kuò)散平衡，實(shí)現(xiàn)了超疏水狀態(tài)在水下保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定。通過建立廣義的熱力學(xué)理論框架，繪制了不同條件下氣層能否保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定狀態(tài)的相圖。通過共聚焦顯微鏡，原位觀測(cè)了人造仿生功能表面和新鮮荷葉表面在不同實(shí)驗(yàn)條件下的氣層演化過程，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控水中溶解氣體飽和度，可以實(shí)現(xiàn)超疏水狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，并給出不同環(huán)境壓強(qiáng)下，氣層可保持穩(wěn)定狀態(tài)的水中溶解氣體飽和度界限，該結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度一致。通過對(duì)荷葉的研究，證實(shí)了氣層的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)可以在任意粗糙的表面上實(shí)現(xiàn)。本研究揭示了水下微結(jié)構(gòu)內(nèi)氣層穩(wěn)定存在的機(jī)理，對(duì)具有疏水性質(zhì)的仿生功能表面在水下，尤其是大水深、高壓強(qiáng)下的應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。

　　段慧玲">段慧玲教授課題組在過去幾年一直致力于超疏水表面水下浸潤(rùn)狀態(tài)穩(wěn)定性和減阻等方面的研究，并取得了一系列成果，發(fā)表在國際重要期刊 (Phys. Rev. Lett. 112, 196101, 2014 ; Physics of Fluids 27, 092003, 2015 ; Physics of Fluids 29, 032001, 2017)。此外，在國際應(yīng)用力學(xué)權(quán)威綜述期刊應(yīng)邀發(fā)表綜述論文(Appl. Mech. Rev. 68, 030803, 2016 )，并獲得美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award (2016)。

　　論文第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系研究生相耀磊。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

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