科学家解开柔软液滴如何侵蚀坚硬表面的谜团

导读：由明尼苏达大学双城分校研究人员领导的一项首次研究揭示了液滴有能力侵蚀坚硬表面的原因。

由明尼苏达大学双城分校研究人员领导的一项首次研究揭示了液滴有能力侵蚀坚硬表面的原因。这一发现可以帮助工程师设计出更好、更耐侵蚀的材料。通过使用一种新开发的技术，研究人员得以测量隐藏的数量，如液滴对表面的冲击所产生的剪切应力和压力，这种现象只在视觉上被研究过。

多年来，研究人员一直在研究液滴的影响，从雨滴落地的方式到气溶胶中病原体（如COVID-19）的传播。众所周知，缓慢滴落的水滴会随着时间的推移侵蚀表面。但为什么看似柔软和流动的东西能对坚硬的表面产生如此巨大的影响呢？

这项研究的论文第一作者、明尼苏达大学化学工程和材料科学系副教授Xiang Cheng解释道：“在东方和西方文化中都有类似的说法，‘滴水穿石’。这样的谚语意在传授一个道德课：‘要坚持不懈。即使你很软弱，当你持续不断地做某件事情时你会产生影响’。但当你有像水滴这样柔软的东西撞击像岩石这样坚硬的东西时，你不禁要问：‘为什么水滴撞击会造成任何损害？’这个问题是促使我们进行研究的原因。”

在过去，液滴的冲击只用高速摄像机进行视觉分析。明尼苏达大学研究人员的新技术--称为高速应力显微镜则通过直接测量液滴撞击表面时在其下方的力、应力和压力为研究这一现象提供了一种更加定量的方法。

研究人员发现，液滴施加的力实际上会随着撞击的液滴扩散，而不是集中在液滴的中心，并且液滴扩散的速度在短时间内超过了音速并在表面上形成了冲击波。每个液滴的行为就像一个小炸弹，爆炸性地释放其冲击能量并给予它必要的力量来长期侵蚀表面。

除了为研究液滴冲击铺设一条新的途径外，这项研究还可以帮助工程师为必须经受户外元素的应用设计更多的抗侵蚀表面。对此，Cheng和他在明尼苏达大学双城分校的实验室已经计划扩大这项研究以展开针对不同纹理和材料如何改变液滴产生的力的大小的研究。