Universal mapping of drop impact spreading from wetting to Leidenfrost regimes
本文建立了一种通用的基于能量耗散的映射关系，能够准确预测在广泛的奥内索尔珀数（Ohnesorge number）和韦伯数（Weber number）范围内，液滴在润湿和莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）两种机制下的最大铺展直径，从而实现从润湿撞击预测向其莱顿弗罗斯特对应情况的转换。
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当一滴液体撞击表面时，它并不仅仅是停下来，而是会扁平化、铺展开来，然后通常会发生回缩。这种日常现象——从雨滴撞击窗户到墨水滴落在纸上——受制于液滴的前向动量、其自身表面的粘性以及液体的内部摩擦力之间的拉锯战。科学家们早已理解了当液体直接接触表面时的运作方式，这种状态被称为“润湿”（wetting）。然而，当表面温度极高时，会出现一种不同且更为剧烈的场景。在这种情况下，液体完全没有接触固体，而是悬浮在由其自身蒸汽形成的薄薄一层隐形垫层之上，这种现象被称为“莱顿弗罗斯特效应”（Leidenfrost effect）。这种状态对于从冷却系统到燃料喷射等各类技术都至关重要，然而，预测处于这种悬浮状态下的液滴究竟能铺展开多远，一直是一个难题，这主要是因为悬浮液滴的物理特性与贴在地面上的液滴显著不同。
浙江大学和普林斯顿大学的研究人员现在将这两个世界联系了起来。通过结合高速实验与详细的计算机模拟，他们建立了一条通用规则，可以将润湿液滴的铺展行为转化为莱顿弗罗斯特液滴的行为。他们的研究表明，这两种状态之间的关键区别不在于表面张力或液滴的速度，而在于液体如何损失能量。当液滴撞击湿润表面时，与壁面的摩擦作用就像一个刹车，减缓了铺展过程并在底部消散了能量。而当液滴悬浮在蒸汽上时，那种壁面摩擦消失了，使得液滴能够铺展得更远。研究团队发现，这段额外的距离并非随机产生的；它与通过避免壁面摩擦所节省的能量量直接相关。
为了揭示这种联系，科学家们观察了毫米级的液滴（水和甘油混合物）撞击抛光蓝宝石圆盘的过程。在某些实验中，圆盘处于室温，允许液滴润湿表面。在另一些实验中，圆盘被加热到摄氏550度，从而产生了蒸汽垫层。他们使用每秒捕捉4,000帧图像的摄像机记录了撞击过程，精确追踪了液滴在停止扩张前变得多宽。他们将这些观察结果与能够计算液滴内部不可见能量流的计算机模型相结合。模拟显示，虽然悬浮液滴确实避开了壁面的剧烈制动，但其内部液体开始更加剧烈地翻滚，产生了一种新型的内部摩擦，部分抵消了获得的增益。尽管存在这种内部补偿，悬浮液滴节省的总能量仍然是显著且可预测的。
研究人员发现，这种能量节省在广泛的条件下遵循一种精确的模式。他们测试了具有不同厚度和速度的液滴，涵盖了液体的流动阻力变化达一百倍、撞击力变化达十倍的范围。在每种情况下，液滴在润湿状态与悬浮状态之间铺展距离的差异，都可以通过简单观察润湿情况下损失到摩擦中的能量来计算。这一发现使得科学家可以利用任何现有的关于湿润液滴的预测，瞬间将其转化为对悬浮液滴的准确预测，而无需从头开始构建新的复杂模型。
即使在液滴非常黏稠或移动非常快的情况下（只要它们在撞击时不会破碎），这种映射关系依然成立。该研究证实，此前认为悬浮液滴总是将一半能量转化为表面积的“二分之一法则”仅在极快且薄的液滴时才准确。对于较厚的或较慢的液滴，内部摩擦变得显著，而新的映射方法通过展示液滴比理想极限少铺展了多少，解释了这一点。这项工作提供了一种理解液滴撞击的统一方式，架起了熟悉润湿表面溅射与神秘莱顿弗罗斯特液滴滑行之间的桥梁，为在工业和热力学应用中控制这些撞击过程提供了更清晰的路径。
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