香港理工大学王钻开教授团队PRL：电荷抑制飞溅背后的物理新发现

【成果简介】

近日，香港理工大学机械工程系王钻开教授课题组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表其最新研究成果，标题为“Why charged drops do not splash”。针对液滴撞击固体表面这一经典动力学过程，论文首次揭示了液滴电荷对飞溅行为的有效抑制及其背后的物理机制。团队基于液膜空气动力飞溅理论，建立了飞溅阈值与液滴电荷和表面介电常数的物理模型，将液滴飞溅的研究范围从电中性拓展至带电体系。这项工作的原创性和重要性得到了审稿人与编辑的高度肯定，被选为“编辑推荐” (Editors’ Suggestion)，第一作者为香港理工大学于凡斐博士和达姆施塔特工业大学/马克斯·普朗克高分子研究所Aaron D. Ratschow博士。

【研究背景】

液滴撞击固体表面形成的飞溅现象是自然界和工农业技术领域中的经典动力学过程。在理论模型方面，研究者们先后提出包括基于惯性动力学、开尔文-亥姆霍兹不稳定性以及液膜空气动力等经典飞溅理论。在飞溅行为有效控制方面，研究者们开发了多种手段包括调整环境压力、改变固体表面特性以及重塑液滴的形状等。这些研究为理解和控制液滴飞溅提供了重要基础。然而，以往研究大多聚焦于电中性液滴。但事实上，带电液滴在自然现象和技术领域中极为常见。例如，带电液滴在雷暴云中自然形成，同时也在喷墨打印和电喷雾电离等技术应用中扮演着关键角色。此外，研究发现当液滴与疏水基底分离，甚至从塑料移液管中排出时，也往往自发带上电荷。这表明，带电液滴在自然和技术应用中是不可避免的，构成了更为普遍且可能更具相关性的场景。

【图文速览】

1.带电液滴的飞溅抑制现象

为验证电荷水平对液滴撞击动力学过程的影响，作者首先通过可控的电流体动力学过程获得系列具有相同尺寸不同电荷量的液滴。对于中性液滴的典型撞击事件，液滴的突然惯性减速控制了表面上的动量流动，并导致边缘喷射出薄层液膜。在空气动力作用下，液膜抬升并脱离表面，最终破裂成卫星液滴发生飞溅。相比之下，带电液滴表现出飞溅抑制现象，具体表现为喷射液膜的重新润湿以及卫星液滴形成的显著减少，甚至当电荷水平达到一定阈值时液膜平稳铺展润湿表面，飞溅完全被抑制。这说明液滴电荷可以显著改变触发飞溅的喷射液膜的动力学，最终影响飞溅结果。

Figure 1. Charged drop generation and typical impacting events on a glass substrate.

2.电荷对液膜喷射动力学的影响

随着液滴电荷水平的增加，喷射液膜的发展长度，抬升高度及角度显著减小。此外，电荷的存在也进一步缩短了液膜的喷射过程。这表明液滴电荷的存在增强了液膜与表面之间的固液相互作用。

Figure 2. Characterization of splash onset.

3.电荷与飞溅的理论模型及调控机制

为了深入理解带电液滴的飞溅抑制行为，作者基于经典的液膜空气动力飞溅理论，引入了电应力作用，建立了新的模型。由于电荷通常被高介电常数区域吸引，因此液膜受到指向表面的电应力作用。在电应力与液膜的空气升力对抗作用下，抬升液膜被迫重新润湿固体表面，或在固液界面处形成更薄的润滑层，破坏了飞溅发生所需的条件。通过详细的理论推导，作者得到关键的飞溅常数，并建立了液滴的电荷量、表面介电常数以及液滴的撞击速度之间的定量关系。需要指出的是，当表面介电常数降低时，这种抑制效果逐渐减弱。特别地，当表面从电介质材料替换为电导体材料，飞溅行为不再被抑制。研究还发现，无论是正电荷还是负电荷液滴，都能实现相同的飞溅抑制效果，进一步验证了模型的正确性。

Figure 3. Splash suppression by an electric effect on the lifting lamella.

Figure 4. Prediction of splashing threshold for charged drops.

【总结与展望】

带电液滴对飞溅行为的抑制效应在不同液滴电荷水平和基底介电常数下普遍存在。研究建立了液滴电荷、基底介电常数和临界溅起韦伯数之间的定量关系，为利用液滴电荷控制撞击动力学和飞溅提供了理论基础。APS在其物理网站Physics (physics.aps.org)的Focus专栏撰文推荐这项工作，其中援引西班牙塞维利亚大学的流体动力学家José Manuel Gordillo评价说：“该成果在科学描述和精确量化电荷对液滴飞溅影响方面迈出了重大一步”(“the results represent a major step forward in the scientific description and precise quantification of the effect of charge on droplet splashing”)，有望应用于精确打印、农药喷洒和表面涂层等技术应用领域。

References:

[1] Fanfei Yu, Aaron D. Ratschow, Ran Tao, Xiaomei Li, Yuankai Jin, Jinpei Wang, Zuankai Wang*, Why charged drops do not splash,Phys. Rev. Lett. 134, 134001 (2025).

[2] Guillaume Riboux and José Manuel Gordillo*, Experiments of drops impacting a smooth solid surface: A model of the critical impact speed for drop splashing,Phys. Rev. Lett. 113, 024507 (2014).

[3] Philip Ball, Charged droplets can hit a surface without splashing,Physics 18, 74 (2025). https://physics.aps.org/articles/v18/74.

论文 DOI:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.134001

来源：高分子科学前沿

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