什么是“牛顿碰撞定律”

碰撞无处不在。三百多年前，牛顿基于大量碰撞实验研究，提出了著名的牛顿碰撞定律。牛顿碰撞定律认为，两个相互碰撞的物体，碰撞后的脱离速度与碰撞前的靠近速度之比称为恢复系数。对于完全弹性碰撞来说，恢复系数为1，但这种情况只会出现在理想情况中；对于完全非弹性碰撞来说，恢复系数为0。真实的碰撞过程，恢复系数大部分介于0和1之间。也就是说，碰撞前后改变的是物体的速度大小和方向，很难改变物体的运动形态。

为什么要控制液滴碰撞行为

液滴与固体表面的碰撞现象广泛存在于自然界和生产生活的多个领域，对人类的生存和发展具有重要作用。例如，喷墨打印的墨滴碰撞行为对打印的精度和质量起到关键作用；雨滴对多孔土壤的撞击被认为是空气中浮尘形成的成因之一；农药喷洒过程中，超过50%的农药液滴因为碰撞到作物叶片后的回弹而浪费。此外，液滴在固体表面的撞击还在喷淋降温等领域发挥着关键作用。因此研究并精确控制液滴在固体表面的碰撞行为具有重要意义。

控制液滴回弹行为到底有多难

通过构筑特殊结构与性质的功能界面实现对液滴碰撞行为的调控，成为了近年来研究的热点之一。然而，由于液滴在固体表面的碰撞具有时间短、性变大及形式多等特点。在碰撞到固体表面后，液滴往往在数毫秒内发生极大程度的形变，且碰撞后可能产生直接沉积、回缩及回弹、破裂等多种结果，极大地增加了液滴碰撞行为的调控难度，相关理论与控制规律亟需发展和完善。

中国科学家突破“牛顿碰撞定律”的范畴

2019年3月5日，中科院化学所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰等合作，通过图案化粘附表面诱导液滴碰撞行为，使液滴产生高速旋转行为，实现了液滴碰撞前后由平动能向转动能的变化，突破了经典牛顿碰撞定律的描述。

第一作者：李会增

通讯作者：冯西桥，宋延林

第一单位：中国科学院化学研究所

研究亮点：

1）将基底的图案化粘附力与液滴撞击动力相结合，使液滴撞击到表面后产生旋转，首次实现液滴碰撞前后运动方式的转变。

2）提出了普适的液滴撞击控制规律，提出了不同于经典“牛顿碰撞定律”的软物质碰撞规律。

3）利用图案化粘附基底对液滴撞击的作用，使4毫克的液滴驱动超过90毫克的基材以超过50°/min速度定向转动，验证了可控液滴旋转回弹行为在新型能量收集与转化领域的应用。

作者发现，一滴水撞到荷叶表面，水滴会先铺展，然后回缩、回弹脱离表面。而滴到玻璃上的水滴会直接摊开成一层水膜。这是由于玻璃表面比较亲水，同时对水具有较大的粘附力。把这两种效应结合，构筑图案化的亲疏水表面，使水滴碰撞到该表面后受到各向异性的粘附力。

通过对图案的设计，可以对粘附力的大小及方向进行调节。当粘附力的作用在液滴内部形成力矩时，随着液滴的回缩，力矩作用逐渐累积，液滴就获得角动量，从而产生旋转行为。通过对液滴回缩过程中一个作用点进行跟踪，可以很明显看出其运动轨迹呈现螺旋上升趋势，即液滴在空中跳起了“芭蕾”。

总之，该工作首次实现了液滴碰撞后的旋转运动，超出了经典 “牛顿碰撞定律”的描述范畴，为新型液体运动形式的研究与利用提供了新的思路。通过表面设计，能够实现液体动能的收集与转化，在水利发电领域有重要应用前景。

参考文献：

HuizengLi, Xiqiao Feng, Yanlin Song et al., Spontaneous droplets gyrating viaasymmetric self-splitting on heterogeneous surfaces. Nature Communications,2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08919-2

宋延林课题组网站：

http://ylsong.iccas.ac.cn/