小水滴蘊藏大能量

呆阿明

水是生命之源，不論是人類還是動植物，都離不開水：水也是能量之源，可以用來灌溉莊稼、發(fā)電等。那你知道，一滴水滴的能量有多大嗎？前不久，中國科學(xué)院和清華大學(xué)的科學(xué)家合作，讓水滴在空中跳起了“芭蕾舞”，并為液體動能的利用（如水力發(fā)電）開拓了新的思路和方向。或許在不久的將來，一滴水也能發(fā)電。

讓水滴“動”起來

同學(xué)們知道，當(dāng)一滴水落在固體表面時，會發(fā)生什么樣的現(xiàn)象嗎？

由于固體表面材料的化學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的不同，水滴或飛濺散開，或彈回。如果固體表面疏水、黏性弱，水滴會保持球狀彈起;相反，如果與親水、黏性強的固體表面碰撞，水滴就會四處飛濺。

如果水滴所接觸的表面不是均質(zhì)的，而是不同區(qū)域具有不同的親水性，又會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？出于這樣的想法，科學(xué)家設(shè)計出一款“特殊”的平板：將一種氟化材料覆蓋在氧化鋁板上，形成類似于不粘鍋的疏水涂層，再用紫外光照射氧化鋁板的特定區(qū)域，被照射的區(qū)域會變得極度親水。

然而，水滴具有可變形性，且與撞擊的固體表面發(fā)生相互作用的速度極快，要想操控這種行為的難度可想而知。不過，別擔(dān)心，科學(xué)家借助同步高速成像系統(tǒng)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，再對水滴的碰撞過程進行誘導(dǎo)，能使水滴以超過每分鐘7 300轉(zhuǎn)的速度旋轉(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“芭蕾舞”。

通過科學(xué)家們繪制的圖案，我們不僅可以看到水滴“跳舞”，而且水滴還能產(chǎn)生卷曲、偏轉(zhuǎn)等多種效果。

用水滴來發(fā)電

當(dāng)然，這項研究可不僅僅是為了好看，它還有更重要的作用：實現(xiàn)對液體運動的精確控制，這在自清潔表面、防冰凍、材料混合等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。

不僅如此，水滴碰撞后產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)液體平動能向轉(zhuǎn)動能的轉(zhuǎn)化。這與水力發(fā)電過程中，水的動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能進而產(chǎn)生電能的原理十分類似。如果水滴碰撞過程中的轉(zhuǎn)動能也能夠被收集與利用，那將會是巨大的財富。

基于這一原理，科學(xué)家研制了利用單個液滴進行物體驅(qū)動的新型液滴驅(qū)動器，將圖案化浸潤性的基底飄浮在磁懸浮系統(tǒng)中，水滴落在表面后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。在此過程中，基底在液滴驅(qū)動下能朝著特定方向旋轉(zhuǎn)。

這項研究為水滴動能的利用開拓了新的思路和方向。例如，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，就能夠帶動下面的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將動能轉(zhuǎn)換為電能，供人們利用。

如今，這一項目已經(jīng)得到眾多機構(gòu)的基金資助，如果未來這一個構(gòu)想能夠?qū)崿F(xiàn)，那么將會給人帶來更多的能源。

兩個物體的碰撞是常見的過程。早在三百多年前，偉大的科學(xué)家牛頓就對這一過程做了大量實驗研究，并總結(jié)出了著名的牛頓碰撞定律：碰撞前后改變的是物體的速度大小和方向，很難改變物體的運動形態(tài)。而這項研究與經(jīng)典的牛頓碰撞定律截然不同，科學(xué)家能控制水滴怎么飛，水滴的運動形態(tài)首次由碰撞之前的平動變?yōu)榱伺鲎仓蟮霓D(zhuǎn)動。我們也相信，這—新的發(fā)現(xiàn)能使人們更充分地利用水滴的能量。