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Breaking Droplet Jumping Energy Conversion Limits with Superhydrophobic Microgrooves

跳跃的 聚结(物理) 动能 机械 材料科学 能量转换 纳米技术 化学物理 能量转换效率 表面能 机械能 化学 复合材料 经典力学 热力学 光电子学 物理 功率(物理) 天体生物学 生物 生理学
作者
Peng Qi,Xiao Yan,Jiaqi Li,Longnan Li,Hyeongyun Cha,Yi Ding,Chao Dang,Li Jia,Nenad Miljkovic
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:36 (32): 9510-9522 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.0c01494
摘要

Coalescence-induced droplet jumping has the potential to enhance the performance of a variety of applications including condensation heat transfer, surface self-cleaning, anti-icing, and defrosting to name a few. Here, we study droplet jumping on hierarchical microgrooved and nanostructured smooth superhydrophobic surfaces. We show that the confined microgroove structures play a key role in tailoring droplet coalescence hydrodynamics, which in turn affects the droplet jumping velocity and energy conversion efficiency. We observed self-jumping of individual deformed droplets within microgrooves having maximum surface-to-kinetic energy conversion efficiency of 8%. Furthermore, various coalescence-induced jumping modes were observed on the hierarchical microgrooved superhydrophobic surface. The microgroove structure enabled high droplet jumping velocity (≈0.74U) and energy conversion efficiency (≈46%) by enabling the coalescence of deformed droplets in microgrooves with undeformed droplets on adjacent plateaus. The jumping velocity and energy conversion efficiency enhancements are 1.93× and 6.67× higher than traditional coalescence-induced droplet jumping on smooth superhydrophobic surfaces. This work not only demonstrates high droplet jumping velocity and energy conversion efficiency but also demonstrates the key role played by macroscale structures on coalescence hydrodynamics and elucidates a method to further control droplet jumping physics for a plethora of applications.
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