可变的漂浮状态

作者: 李安

来源: 中国科学院化学研究所

发布日期: 2022-04-19 07:30:00

中国科学院化学研究所的宋延林研究团队发现,物体从不同高度落水后,其漂浮状态和浮力会受到动态过程的影响,提出了可变漂浮状态的概念,并提出了“浮滞回线”来指导物体漂浮状态的调节,实现了对漂浮物的实时调控。

日常生活中,常常能见到船只、果实、昆虫等物体漂浮在水面上。对漂浮状态的控制在舰船设计、矿物筛选和微纳制造等众多领域具有重要意义。近几十年来,研究人员逐渐揭示了材料表面性质对物体漂浮的影响。当漂浮物尺寸减小时,材料表面引起的表面张力可能超过浮力,对物体的漂浮起主要作用。典型的例子是水黾等水生昆虫,它们的腿具有超疏水性,可以产生的表面张力是浮力的十倍以上。

然而,长期以来,人们普遍认为物体稳定漂浮时的状态和浮力是固定不变的。近日,中国科学院化学研究所的宋延林研究团队发现,物体从较大高度落水,稳定漂浮后能够表现出较大的浸没深度,而下落高度较小的物体则表现出较小的浸没深度。也就是说,物体的漂浮状态和浮力并不是不变的,而是受到动态过程的影响。这一发现打破了人们长期以来的固有认识。

对下落过程分析发现,物体入水后先下沉再上浮,在稳定漂浮之前会经历多次的上下浮动。但是,由于固体与液体之间的粘附作用,物体表面的固-液-气三相接触线仅在第一次下落时发生移动,从而使物体表现出固定-移动-固定的三阶段三相接触线动力学行为。下落高度较大时,三相接触线移动的距离大,从而使物体稳定后呈现出较大浮力的状态。

随后,他们提出了“浮滞回线”来指导物体漂浮状态的调节。

研究发现,物体受到相同外力时,能够呈现不同的浮力和漂浮状态,且改变外力的施加过程能够调节物体的漂浮状态。例如,对物体先施加一个向下的外力,在撤去这个外力后,物体能够从上浮状态转变为下潜状态。而先施加再撤去一个向上的外力,则会使物体从下潜状态转变成上浮状态。基于这个原理,能够实时调控物体漂浮状态,进而实现漂浮物的自发收集、可控界面催化、液体蒸发和药物释放等。

这一研究提出了可变漂浮状态的概念,深化了对漂浮过程中界面现象的理解,在浮力相关研究领域具有重要的启示意义。

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