《自然》子刊:“水滴石穿”的原因,有了意想不到的答案

  “水滴石穿”的典故我们都不陌生,我们似乎从听到这个故事起,就觉得这个现象理所当然。然而,水究竟是如何将坚硬的石头滴穿的,却是一个长期以来的物理学难题。

  近日,一项发表于《自然·通讯》的研究终于揭示了,液滴为什么能够侵蚀坚硬的固体表面。研究团队表示,这项发现还将有助于设计更加耐磨损的材料。

  这项研究的领导者,明尼苏达大学化学工程与材料科学系助理教授程翔表示:“‘水滴石穿’这样的俗语旨在告诉我们要持之以恒,即使不够强大,只要坚持做一件事也会产生影响。但看到液滴这样柔软的物体撞向岩石这样坚硬的物体时,我们不禁会想,‘液体的撞击是否造成了任何破坏?’我们正是受这个问题启发,开始了研究。”

  人们早已开始研究液体滴落的影响。在过去,人们只能使用高速摄像机来研究液滴撞击。而在这项研究中,作者使用了全新的高速压力显微技术,从而提供了更加定量的研究手段用于分析液体撞击时的应力与压强情况。

  研究团队发现,液滴施加的应力会随着液体向外扩散,而不是集中在液滴落下的中心。更惊人的是,液滴向外扩散的速度在短时间内甚至超过了音速,这个过程也产生了穿过固体表面的冲击波。因此,每一滴液滴就如同一枚小型炸弹,爆发式地释放撞击时的能量,由此产生的能量也使得固体表面逐渐被侵蚀。

  这项研究的意义不仅在于理解液滴的力学性质,还有助于设计更加耐侵蚀的表面材料。程翔教授团队正计划进一步延伸这项研究,用于揭示不同的材料如何改变液滴释放的能量。

  程翔教授说:“随着时间推移,雨滴仍能通过撞击导致损坏。我们下一步的研究是分析我们能否减小液滴的剪切应力,从而最终设计出能减轻压力的特殊表面。”

  参考资料:

  [1] Sun, TP。, Álvarez-Novoa, F。, Andrade, K。 et al。 Stress distribution and surface shock wave of drop impact。 Nat Commun 13, 1703 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-29345-x

  [2] New study solves mystery of how soft liquid droplets erode hard surfaces。 Retrieved Mar 31st, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/948238

  本文来自药明康德内容微信团队

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