未來，一滴水也能發(fā)電！中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴碰撞行為的精確控制

　    對(duì)于很多人來說，下雨是一件很煩人的事。雨天只能躲在家里，望著水滴四處飛濺。但水滴落在地上只能飛濺嗎？能不能用來做點(diǎn)有意思的事？

　　近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林課題組與清華大學(xué)馮西橋、李群仰等合作，發(fā)現(xiàn)下落的水滴撞擊到特殊平面后，能夠產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，每分鐘轉(zhuǎn)速超過7300 rpm，并在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。這項(xiàng)研究通過巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴碰撞行為的精確控制，并且首次實(shí)現(xiàn)了物體碰撞前后運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)變，在水能采集、自清潔和防冰凍方面或具有應(yīng)用價(jià)值。

水滴與平面碰撞后呈現(xiàn)的一系列演化形態(tài) （圖片來源：宋延林課題組）

　　該研究于2019年3月5日發(fā)表在《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2），并被《Nature》雜志選作研究亮點(diǎn)，以“Putting a spin on droplets”為題進(jìn)行了報(bào)道。

　　物體之間的碰撞，牛頓是這樣說的

　　兩個(gè)物體的碰撞是常見過程。早在三百多年前，偉大的科學(xué)家艾薩克·牛頓就對(duì)該過程做了大量實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)出了著名的牛頓碰撞定律：

　　兩個(gè)相互碰撞的物體，碰撞后的脫離速度與碰撞前的靠近速度之比稱為恢復(fù)系數(shù)。對(duì)于完全彈性碰撞來說，恢復(fù)系數(shù)為1，但這種情況只會(huì)出現(xiàn)在理想情況中；對(duì)于完全非彈性碰撞來說，恢復(fù)系數(shù)為0。真實(shí)的碰撞過程，恢復(fù)系數(shù)大部分介于0和1之間。一般來說，碰撞前后改變的是物體的速度大小和方向，很難改變物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

　　而在本工作中，水滴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)首次由碰撞之前的平動(dòng)變?yōu)榱伺鲎仓蟮霓D(zhuǎn)動(dòng)，該現(xiàn)象與經(jīng)典的“牛頓碰撞定律”有明顯不同。

　　我們能控制水滴怎么飛

　　水滴落到固體表面后的動(dòng)態(tài)行為一般在幾毫秒到十幾毫秒的時(shí)間內(nèi)完成。水滴撞擊表面后的結(jié)果（水滴彈回或飛濺）取決于固體表面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。但是，由于水滴具有可變形性，且撞擊水滴與固體發(fā)生相互作用的速度極快，操控這種行為存在一定難度。

　　研究人員借助同步高速成像系統(tǒng)，對(duì)這一行為進(jìn)行了詳細(xì)的記錄與分析。他們發(fā)現(xiàn)，通過在疏水低粘附的基底表面構(gòu)筑高粘附圖案，對(duì)水滴的碰撞過程進(jìn)行誘導(dǎo)，使液滴能夠以超過7300轉(zhuǎn)每分的速度高速旋轉(zhuǎn)。液滴在粘附力的作用下形成四角的裂分結(jié)構(gòu)，在空中跳起了“芭蕾”。

　　結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，他們揭示了該過程背后的科學(xué)原理。液滴碰撞到表面后，首先鋪展形成圓形液膜，然后液膜在表面張力的作用下開始回縮。此時(shí)，由于基底表面不同區(qū)域具有差異化的粘附力，因此液滴各部分的回縮速度不同，并在液滴內(nèi)部形成力矩。力矩的作用效果隨著液膜的回縮逐漸累積，在液膜回縮完成后形成角動(dòng)量，賦予液滴旋轉(zhuǎn)的能力。

圖片來源：宋延林課題組

　　未來，發(fā)電模式可能改變！

　　液滴碰撞后產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液體平動(dòng)能向轉(zhuǎn)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。這與水力發(fā)電過程中，水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能進(jìn)而產(chǎn)生電能類似，液滴碰撞過程中液滴的轉(zhuǎn)動(dòng)能也能夠被收集與利用。

　　基于此原理，研究人員研制了利用單個(gè)液滴進(jìn)行物體驅(qū)動(dòng)的新型液滴驅(qū)動(dòng)器，將圖案化浸潤(rùn)性的基底漂浮在磁懸浮系統(tǒng)中，水滴落在表面后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在此過程中，基底在液滴驅(qū)動(dòng)下能朝著特定方向旋轉(zhuǎn)。

　　這項(xiàng)研究為液體動(dòng)能的利用（如水利發(fā)電）開拓了新的思路和方向。比如說，可以在合適的地方安裝這種微型水能發(fā)電裝置，而不必局限于大江大河上的水力發(fā)電站。當(dāng)雨滴落在上面時(shí)，就能夠帶動(dòng)下面的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，供人們利用。

　　本項(xiàng)目得到國家納米重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃和博士后基金資助。