美国东北大学研究团队深耕含颗粒水滴流体动力学，为3D打印精度提升寻突破

2025年9月，来自美国东北大学（Northeastern University）机械与工业工程的教授 Xiaoyu Tang 正于校内多相传输研究实验室（Multiphase Transport Research Lab）推动喷墨打印领域的创新。作为首席研究员，Xiaoyu Tang 带领一支研究团队，专注于探索 “处于液态与固态交界状态的材料”，这类材料与打印机内部核心技术直接相关，是优化打印性能的关键研究方向。


研究目标
       该研究的推进，很大程度上得益于 Xiaoyu Tang 团队近期获得的美国国家科学基金会职业生涯奖（NSF Career Award）资助。借助这笔资金，Xiaoyu Tang 及其团队即将启动一项关键工作：开发一套新研究框架，以更深入地理解 “含颗粒水滴落入液体时的流体动力学机制”。这项研究的最终目标是为工程师提供理论支撑，帮助他们设计出更稳定、更优化的墨水工艺，以及更耐用的打印硬件，从技术源头解决当前打印领域的性能瓶颈。
研究方法
1. 高精度实验手段
研究过程中，团队将使用高速相机，其每秒可捕捉 10000 张图像。Xiaoyu Tang 解释，如此高的拍摄速度必不可少：“水滴撞击液体的过程仅持续不到 100 毫秒（百分之一秒）”，只有高速摄像才能完整记录这一瞬时现象。
2. 核心分析维度
在分析拍摄的图像与视频时，团队会重点关注三个关键因素：水滴撞击瞬间的形态变化、水滴内部颗粒的分布情况，以及水滴的速度场（即不同区域的运动速度）。
3. 研究的创新突破点
Xiaoyu Tang 指出，目前已有大量成熟研究揭示了 “纯水滴滴入大量液体时的物理机制”，但本次研究的创新之处在于，团队将探索 “当水滴中添加玉米淀粉、二氧化硅等颗粒后，这些物理机制会发生怎样的改变”。


∆Xiaoyu Tang 与机械工程专业四年级学生 Boqian Yan 共同开展液滴研究。

关联科学现象
“向液体中添加大量颗粒会让情况变得复杂，因为液体的粘度不再稳定，混合物甚至可能‘凝固’成类似固体的状态，尤其是在水滴撞击的过程中。”Xiaoyu Tang 举例说明这种复杂性，“一个典型例子就是‘欧不裂效应’（Oobleck effect）：人可以在掺有玉米淀粉颗粒的水池上奔跑，但如果站着不动就会沉下去。”这一现象正是团队研究的核心挑战之一，颗粒改变了液体的物理特性，使得水滴撞击时的流体动力学行为更难预测，也更具研究价值。

与 3D 打印的直接关联
这项研究与 3D 打印技术有着紧密的实际关联，Xiaoyu Tang 团队希望通过研究，深入理解 “不同材料在更接近液态时的相互作用规律”，而这正是 3D 打印的关键技术痛点。
Xiaoyu Tang 解释：“3D 打印的原理本质上是将液态材料以液滴形式沉积到基底上，固化后再层层叠加，最终形成立体结构。但实际打印中常出现问题：“有时前一层液滴未完全固化，仍处于液态，当下一层液滴与之接触时，就会发生不可控的变形。液滴与未固化层之间可能发生多种复杂反应，这些反应正是影响打印精度的重要因素。”

团队的研究目标很明确：通过厘清这些相互作用的规律，帮助 3D 打印机制造商 “更好地控制液滴与基底（及未固化层）的相互作用”，最终提升 3D 打印的精度。
研究意义
     为推进这项研究，团队计划整合多种先进诊断技术，构建一套综合实验体系。更重要的是，团队还计划开发一个研究平台 —— 未来其他领域的研究者（包括太空领域的科研人员）可在此基础上进一步拓展，为更广泛的流体动力学与材料交互研究提供支撑。
    总体而言，Xiaoyu Tang 团队的研究不仅聚焦于喷墨打印与 3D 打印的技术优化，更从基础流体力学角度探索含颗粒多相体系的规律，兼具实际应用价值与科学研究意义。