超疏水负泊松比超材料上的润湿转变

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超疏水负泊松比超材料上的润湿转变（DOI: 10.1063/5.0173464）

在材料科学领域，超疏水表面因其独特的性能而备受关注。它们能够显著提高液滴在表面上的流动性，减少固液接触面积，这一特性在众多应用中发挥着关键作用。最近，研究者们发现了一种新型的超疏水材料——负泊松比超材料（auxetic metamaterials），它们展现出与众不同的润湿特性。今天，就让我们一起走进这项前沿研究，探索其背后的奥秘。

负泊松比超材料的独特之处

传统的超疏水表面大多依赖于静态的结构设计或常规材料的应变诱导变化。然而，负泊松比超材料的出现打破了这一常规。这种材料在拉伸时，会在正交方向上扩张，而不是像普通材料那样收缩。这种独特的力学行为为超疏水表面的设计带来了全新的思路。

图 1. 负泊松比超材料的结构示意图。图中展示了传统晶格（a）和负泊松比晶格（b）在拉伸时的不同行为。负泊松比晶格在拉伸时会横向扩张，而传统晶格则会横向收缩。

润湿状态的转变

当液滴与结构化表面接触时，它可能处于三种状态之一：悬浮、部分渗透或完全渗透。对于超疏水表面来说，悬浮状态是最理想的，因为此时液滴仅与结构的顶部接触，能够最大程度地放大接触角，使液滴能够轻松地从表面滚落。而当液滴完全渗透时，它会渗入结构内部，这不仅增加了液滴从表面脱落所需的力，还可能导致液滴被固定在表面上。

图 2. 液滴在膜上的悬浮和完全渗透状态。图中展示了水滴在悬浮状态（d）和完全渗透状态（f）下的对比。

实验与模型

在这项研究中，研究者们通过实验识别了液滴从悬浮状态到完全渗透状态的转变，并开发了一个全面的物理模型来描述这一过程。他们构建了一系列具有固定负泊松比旋转角度的模型表面，这些表面涵盖了从负泊松比到常规晶格膜的不同应变状态。通过改变水/乙醇混合物的表面张力，研究者们能够观察到接触角与晶格结构之间的相互作用，从而深入了解液滴悬浮和完全渗透的条件。

图 3. 接触角随乙醇浓度的变化。图中展示了在固体平面上，水/乙醇混合物的接触角随乙醇浓度的变化。

简单的触摸测试

为了区分液滴是否完全渗透，研究者们开发了一种简单的触摸测试方法。如果液滴悬浮在膜上，触摸膜的下侧不会对液滴产生影响；而如果液滴已经完全渗透，触摸膜的下侧将导致液滴完全吸入膜中。这种方法为区分不同的润湿状态提供了一种实用且高效的方式。

图 4. 触摸测试示意图。图中展示了水滴在悬浮状态（d）和完全渗透状态（f）下，触摸膜下侧后的变化。

关键发现

研究发现，对于负泊松比膜（α=-30°），完全渗透发生在50%的乙醇浓度，这对应于固体平面上的接触角为78.2°±2.4°，表面张力为29.15 mN/m。这一结果与理论预测的37%≤cP≤55%非常吻合。此外，对于固定乙醇浓度（c=30%），完全渗透在负泊松比旋转角度为0°到10°之间被实验观察到，这也与理论预测的6°≤α≤45°相符。

研究意义

这项研究不仅增进了我们对超疏水负泊松比超材料润湿转变的理解，还为开发这一新型超疏水材料提供了重要的理论依据。通过精确控制表面张力和几何结构，我们可以实现对液滴在超疏水表面上行为的精准调控，这在自清洁材料、防冰涂层、微流体器件等领域具有广泛的应用前景。

让我们期待这种新型超疏水材料在未来能够为我们带来更多惊喜，为我们的生活和工业应用带来更多的便利和创新！

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