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物体漂浮在水面是生活中的常见现象。控制物体的漂浮状态在船只设计、矿物筛选、胶体组装和微纳制造等领域具有应用价值。已有研究揭示材料表面性质对漂浮状态的作用。而当前研究认为物体稳定漂浮时的状态和浮力是固定不变的。

近年来,中国科学院化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组围绕固体与液体粘附作用与图案化开展了系统研究,实现了液体复杂行为的操纵和精确图案化(Nat. Commun. 2019, 10, 950;Sci. Adv. 2020, 6, eaay5808;Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535-10539;Nat. Commun. 2021, 12, 6899)。

近日,宋延林研究团队发现在不同高度落入水中的物体,稳定后可以在水面上呈现不同浸没深度,从而表现出不同的漂浮状态(图1)。也就是说,物体漂浮时的浮力不是固定的,而是受到下落过程的影响。理论分析表明,由于固-液粘附作用,物体入水后的三相接触线表现出钉扎-滑移-钉扎的三阶段动力学行为,这是物体呈现不同漂浮状态的根本原因。据此,研究提出了“浮滞回线”来指导调节物体漂浮状态。研究发现,改变外力的加载-卸载顺序能够实现物体漂浮状态的调控(图2)。研究展示了可变漂浮状态在界面催化、液体蒸发和药物释放等领域的应用。该研究加深了科学家对漂浮过程中界面现象的理解,并在相关领域具有重要的启示意义。

相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、北京分子科学国家研究中心和中科院的支持。

图1.物体的可变漂浮状态现象

图2.“浮滞回线”与漂浮状态调控方法

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