博士一作！他，香港两院院士/港理「长江讲席教授」，新发Nature大子刊！

防止水滴在表面上积聚是非常有趣且具有实际意义的。室温下的水滴可以通过纹理设计或聚结引起的表面动能转换自发地从表面分离。

然而，在冰冻条件下，由于液滴-表面的相互作用更强和缺乏能量转换途径，这些策略变得无效。

2024年12月6日，香港理工大学王钻开教授、姚海民副教授在国际顶级期刊Nature Chemical  Engineering发表题为《Freezing droplet ejection by spring-like elastic pillars》的研究论文，Huanhuan Zhang、Wei Zhang、Yuankai Jin、香港城市大学博士生吴辰阳为论文共同第一作者，王钻开教授、姚海民副教授为论文共同通讯作者。

王钻开，香港理工大学机械工程学系教授，香港工程科学院院士，香港青年科学院创院院士，英国皇家化学学会（RSC）会士，教育部长江讲席教授。2000年于吉林大学获学士学位，2003年于中国科学院上海微系统与信息技术研究所获硕士学位，2008年于美国伦斯勒理工学院获博士学位。2009年加入哥伦比亚大学，2021年成为香港城市大学讲座教授，现任职于香港理工大学。

王钻开教授的研究范畴是流体动力学、仿生工程、软物质、制造。

姚海民，香港理工大学机械工程学系副教授。2000年和2002年获得清华大学学士和硕士学位。随后在马克斯普朗克金属研究所学习。2006年获得斯图加特大学博士学位。2006-2010年先后在布朗大学和麻省理工学院担任博士后研究员。曾在中山大学工作过一年，在2011年加入香港理工大学。

姚海民副教授的研究兴趣包括仿生力学与材料、纳米力学、接触力学、生物材料的力学表征、能源材料的力学行为。迄今为止，他已在PNAS、Scientific Reports、JMPS、Nanoscale、Carbon等期刊上发表论文45余篇，总被引次数超过2000次。

利用冻结过程中水体积的膨胀，作者报告了一种具有弹簧状支柱和润湿对比度的结构化弹性表面，无论其撞击位置如何，这种表面都能使冻结水滴自发喷射。

弹簧状支柱可以将冷冻液滴在数秒内体积膨胀所做的功存储为弹性能，然后在几毫秒内将其快速释放为动能。

时间尺度上三个数量级的减少可以产生足够的动能来驱动冷冻液滴喷射。作者开发了一个理论模型来阐明决定这种现象成功发生的因素。

作者的设计可以通过编号策略在制造中进行扩展，从而开辟在除冰、软机器人和发电领域的应用。

图1：设计结构化弹性表面

图2：SES和对照样本上冻结水滴的行为比较

图3：冻结水滴与SES之间动态相互作用的表征和理论建模

图4：SES上冻结水滴喷射的相图和实际应用潜力

综上，这篇论文研究了一种结构化弹性表面（SES），该表面利用类似弹簧的支柱和润湿对比度，能够在冰点条件下自发弹射冻结的水滴，这一发现突破了传统表面设计在冻结环境下的局限性。

研究结果表明，通过合理设计SES的结构和机械属性，可以有效利用水冻结时体积膨胀产生的能量，实现冻结水滴的自发弹射，这对于防冰、软体机器人和能量收集、自清洁表面等领域具有重要的应用前景。

Zhang, H., Zhang, W., Jin, Y. et al. Freezing droplet ejection by spring-like elastic pillars. Nat. Chem. Eng.,  (2024).