在自然界中，一些植物通过风传播种子，这些种子进化成特定的几何形状，以在重力或风控制的被动自由落体中优化飞行稳定性和运输距离。受到这种直升机式的风传播机制的启发，构建了一系列的微型飞行器，在环境监测和无线通信中具有巨大的潜力。然而，在雨天微型飞行器要承受雨滴的密集冲击，其飞行稳定性和安全性面临着巨大的挑战。
为了解决这一问题，来自北京科技大学的褚福强团队和冯妍卉团队提出了将超疏水表面应用于微型飞行器的策略。制备出的超疏水表面可以促进雨滴的扩散，减少雨滴的接触时间和冲击力，有效保护微型飞行器在雨天条件下安全飞行。相关研究成果以“Superhydrophobic Strategy for Nature-Inspired Rotating Microfliers:Enhancing Spreading, Reducing Contact Time, and Weakening Impact Force of Raindrops”为题于2022年12月13日发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。自然界中的许多植物都进化出了可以随风飞翔的种子，三叶种子就是其中之一。受三叶种子风传播机制的启发，微型飞行器被构建和优化应用于环境监测或通信。然而，在雨天中存在雨滴会破坏微型飞行器的飞行稳定性，甚至将其击落的情况。考虑到超疏水表面（如荷叶）对水具有良好的排斥性，我们提出了将超疏水表面应用于微型飞行器的策略。图1 受自然启发的旋转微型飞行器的超疏水表面的制备扫描电子显微镜（SEM）和扫描共聚焦显微镜显示了超疏水表面具有分层的花状结构，这种微观结构与荷叶上的微观结构非常相似，是具有优良的超疏水性的前提（图2a，b）。能量色散光谱（EDS）表明溶液中的铜离子被成功地取代并沉积在铝表面并且验证了氟烷基硅烷在表面的水解和自组装过程（图2c）。在室温下，用接触角仪测量出表面的静态(θ)接触角为160±2°、前进（θa）和后退（θr）接触角的差值（即接触角滞后）小于10°，表明表面具有超疏水性（图2d）。经过50次循环砂冲击试验或60 min水冲击试验，表面仍保持良好的超疏水性，显示了超疏水性表面的耐久性（图2f、g）。图2 受自然启发的旋转微型飞行器的超疏水表面的表征液滴接触固定超疏水表面后首先向外扩散，到4.5 ms达到最大扩散。然后向冲击点收缩，最终在17 ms时从超疏水表面完全反弹（图3a）。与在固定超疏水表面相比，液滴以中等角速度冲击旋转的超疏水表面，扩散阶段似乎没有变化，但在收缩阶段，由于液滴受到表面旋转的影响，中间部分被略微拉伸，接触时间也减少（图3b）。当超疏水表面的转速进一步增加到628 rad/s，液滴形态差异比固定固定超疏水表面变化明显，在收缩阶段可以清楚地看到液滴的中部由于旋转效应而被离心力严重拉伸和变形，从表面反弹时呈现出陀螺形状（图3c）。随着We和ωsurf的增加，βmax也增加，（图4a），最大扩散（ωs，max）时的角速度与表面角速度（ωsurf）成正比（图4b），不同的We和ωsurf条件下的液滴最大扩散系数数据表现出很好的线性关系（图4c），表明雨滴与微飞行器表面之间的接触充分，有利于旋转微型飞行器执行环境雨水监测任务。研究显示，当液滴撞击旋转表面的中心时，液滴下的空气边界层产生切向阻力，驱动液滴旋转（图5a）。在扩散阶段（τ* < 0.72），ωdrop从零逐渐增加；在收缩阶段（τ* > 0.72），ωdrop先缓慢增加，后迅速增加，最后开始减少（图5b）。开始阶段，大部分的流体滴没有角速度或速度非常小，液滴的切向速度只发生在薄层靠近表面。中间收缩阶段，液滴旋转启动已经完成，液滴有一个全局角速度。缩回阶段后期，液滴与表面的接触面积迅速减小，使液滴失去了来自表面的驱动效应，导致液滴旋转的减少，液滴从有边缘的薄饼形变为细长的纺锤或陀螺状（图5c−e)。研究数据表明，当表面转速增加时，接触时间会继续减少，扩散时间几乎不随表面旋转速度而变化（图6a，b）。在高速旋转的表面上，液滴具有较大的角速度，离心力不仅将液滴拉伸成陀螺形状，还会在液滴内部产生负压，加速了液滴从表面的分离（图6c，d）。冲击力对旋转超疏水表面的变化有两个峰，第一个峰值的大小和出现时间相同，但旋转超疏水表面的第二个冲击峰值明显小于静止表面的峰值。在旋转的亲水表面上，液滴的冲击力只有一个峰值，由于液滴不发生反扩散，在液滴扩散的后期，冲击力突然增加（图6e）。研究不同情况下液滴对固体表面施加的冲击力的平均值，发现液滴对旋转亲水表面的冲击力最大，并且旋转超疏水表面的冲击力小于对静止超疏水表面的冲击力（图6f）。以上所有结果表明，利用超疏水表面有助于减少雨滴对微型飞行器飞行稳定性的不良影响，这将指导旋转微型飞行器的设计和制造。考虑到受自然启发的微型飞行器在雨天天气中的局限性，提出利用超疏水表面来提高被雨滴撞击的的微型飞行器飞行稳定性，同时提高其环境探测性能。为了模拟雨滴撞击微型飞行器的情景，研究了液滴对旋转超疏水表面中心的冲击动力学影响，并讨论了液滴对表面的影响。在空气边界层的切向阻力驱动下，液滴在收缩过程中逐渐获得内部角速度，液滴旋转速度达到最大。由于液滴的旋转，在液滴内部形成了一个负压，从而使接触时间减少了高达30%。这种增强传播但减少接触时间的反直觉的结果，非常有利于微翼飞行器执行准确和快速的环境监测任务。此外还证明了对旋转超疏水表面的冲击力减弱了53%，表明利用超疏水涂层有助于保持旋转微型飞行器在雨天的飞行稳定性。我们的工作不仅报告了液滴对高速旋转超疏水表面的中心影响的新结果，并建立了统一的标度定律，为微型飞行器的设计、飞行和应用提供了基础。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c16662
