近日，中国科学院青海盐湖研究所等单位的研究团队在气液界面演化的实验研究方向取得新进展，研究结果以“Dual Pathways of Air Cavity Evolution during Droplet Impact on Superhydrophobic Nanoporous Surfaces”为题发表于物理学顶刊Physical Review Letters（Nature Index和中国科学院一区TOP），青海盐湖研究所为第一单位，赵彬钰研究员为通讯作者，科研助理周谧（已在瑞士洛桑联邦理工学院攻读博士学位）、助理研究员耿占立、硕士生张飞扬为共同第一作者，共同第一作者还包括德国莱布尼茨高分子所硕士毕业生林渝竣。

固液界面相互作用涉及典型的多尺度界面现象与流动过程，液滴撞击固体表面时会沿中心轴产生圆柱形气腔，并在液滴下方捕获一层空气薄膜。传统观点认为这层气膜在影响撞击结果中起关键作用。之前的研究仅发现惯性主导的轴向内爆导致气腔夹断并演化为气泡，而对不形成气泡的情况并不清楚，对气腔与气膜的相互作用也不了解。由于动态液滴中存在多个液气界面和复杂的构型变化，传统光学成像方法无法深入解析多界面动力学。

研究团队结合传统高速摄像技术和上海光源快速X射线成像线站（BL16U2）的快速X射线成像技术，系统研究了液滴撞击超疏水纳米多孔表面过程中气腔的演化行为，在韦伯数约为2-5的狭窄范围内，首次同时观察到气腔的两种演化路径：一是演变为液滴内部的体相气泡，二是发展为液滴下方的环形气垫。研究团队识别了惯性主导的轴向内爆、毛细波驱动的颈缩以及两者混合的三种气腔夹断机制，发现气腔与气膜间的夹层液膜的稳定性是决定演化路径的关键：若液膜不破裂，气腔受惯性主导发生内爆，形成体相气泡；若液膜在亚毫秒时间内破裂，则会触发毛细波驱动的颈缩，导致气腔与下方气膜融合，最终形成环形气垫。这一临界时间尺度约为0.5毫秒，与惯性-毛细时间尺度相符。

这项研究发现了气腔的两种演化路径与三种夹断机制，建立了液膜稳定性与气腔演化之间的机制联系，量化了液膜寿命与惯性-毛细时间的关联，研究结果深化了对液滴撞击过程中气腔塌陷、空气捕获、射流形成及气泡输运等基础物理过程的理解。控制气泡的生成与输运，对钾盐浮选过程中的界面碰撞行为与传质过程研究具有重要参考价值。

本研究得到了中国科学院B类先导专项、国家自然科学基金委、中国科学院、青海省及德国研究基金会的资助。感谢上海光源快速X射线成像线站（BL16U2）的技术支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1wt7-hf7l

图：液滴中气腔的两种演化过程与三种夹断机制。

审核：刘忠