【CC講壇】李會增：未來，讓每一滴水都能跳着芭蕾來發電_風聞

超出經典 “牛頓碰撞定律”的描述範疇，中國科學家讓水滴跳起了芭蕾，為新型液體運動形式的研究與利用提供了新的思路。

未來，讓每一滴水都能跳着芭蕾來發電。

下雨是一種非常常見的天氣現象，相信大家都經歷過很多次，尤其是在我國的南方地區，每年的這個時候都會有持續的陰雨天氣。提到下雨大家會想到什麼呢？潮濕、雨傘、還是説雨滴落到地上濺起的這種小水花。

今天我要告訴大家，在下雨天，我還能讓雨滴跳芭蕾。

在讓雨滴跳芭蕾舞之前，我們先要了解一下，雨滴落到地上會經歷怎樣的過程。一滴水滴落到固體表面，發生的過程取決於固體表面的性質，比如説水滴落到玻璃這種親水錶面和荷葉這種疏水錶面會有完全不同的結果。水滴會直接粘附在玻璃表面，而在荷葉表面則是完全的不粘附，從而產生這種大珠小珠落玉盤的效果，但是不管哪一種情況，整個過程都在10毫秒之內結束。

10毫秒是個什麼概念呢？我們普通人眼的視覺暫留時間大概是50毫秒左右，在50毫秒之內發生的整個事情，我們的眼睛是沒辦法分辨的，為此我使用了一台高速攝像機，它每秒能拍攝幾萬張圖片，這樣我就可以對水滴落到固體表面的整個過程進行觀測和記錄。

這是高速相機視角下的水滴落到親水錶面和疏水表面的整個過程，播放速度放慢了300倍。

水滴落到親水錶面，會鋪展成一個圓形的液膜，而在疏水錶面，水滴鋪展成液膜以後，會發生均勻的回縮，並最終從固體表面回彈脱離表面。這兩個過程就像一個事物的兩個方面，一個是完全的粘附，另一個是完全的不粘附。

當我把這兩個表面結合在一起，加上合理設計的時候，有意思的現象出現了。水滴落到這種表面以後，在回縮過程中竟然出現了轉動，跳起了芭蕾舞。

**這也是世界上首次發現，水滴落到固體表面會產生轉動的行為。**這種水滴跳芭蕾舞的行為，持續時間只有幾個毫秒，對於這種轉瞬即逝的現象，我是如何發現的呢？

這就要提到我博士階段的導師中國科學院化學研究所的宋延林研究員。宋老師主張綠色科研，提出了納米綠色印刷的概念。我們平常使用的書籍和報紙等印刷品，都是通過印版把油墨印刷在紙張表面製作而成的，而印版就像我們使用的印章，表面分為圖文區和非圖文區，其中圖文區沾油墨，而非圖文區不沾油墨。

在傳統印刷行業中，印版的製作要經過多步的曝光、顯影等步驟，過程非常複雜，整個過程中需要避光操作，同時會有污染和浪費產生。為了解決這個問題，宋老師帶領團隊經過多年的摸索和努力，提出可以使用納米打印的方法制作印版。在親水的版材表面，打印親油的圖案，並且通過版材表面的納米結構增強圖案的牢固性。這樣親油圖案去沾油墨，而其它區域不沾油墨，只需一步就能完成印版的整個製作過程，並且整個過程中無需避光，同時完全沒有污染和浪費，可以説非常的綠色環保。目前這項技術已經應用在國內的多家印刷廠，也已經被韓國所引進和使用。

對於打印製版這項技術來説，其中一個非常關鍵的問題就是打印墨滴，在印版表面的鋪展過程。

博士期間我的研究課題是**利用鋁板表面的親疏水性，對液滴的動態行為進行控制。**我在親水的鋁板表面，製作了一條只有分子層厚度的疏水性條帶，當液滴落到這種表面以後，形成的液膜在兩側的親水區域發生粘附，而在中間的疏水條帶區域則可以回縮，這樣疏水性的條帶就能像液刀一樣，在幾毫秒的時間之內，把液滴切割成兩個小液滴，並且我可以改變這種分子液刀的設計，從而把一滴液滴切割成多種多樣的小液滴。

把這種技術使用到打印過程中，只需要打印一次就能同時得到多個墨滴，從而大幅度提高打印過程的速度，同時這些墨滴的形狀和分佈方式又可以精確地控制，可以提高打印過程的質量。

在這個過程中我發現，用液刀切割形成的小液滴非常乾淨，它們之間相互獨立，完全沒有物質交換，而這種性質對於檢測來説是非常重要的。當我把一滴液滴，滴到這種表面以後，它就能自動裂分成很多份，而每一份又能獨立地完成各自的檢測。現在大家在體檢的時候，往往要抽取滿滿的幾管血，在未來，我們也許只需要採一滴血，就能完成所有血液指標的檢測。

在完成這個研究以後，我開始思考如果把固體表面的親疏水性顛倒會有什麼結果？按照預先設計，我在疏水的鋁片表面，設計了一條親水性的條帶，當液滴落到這種表面以後，由於兩側的疏水性區域，對液滴產生的粘附力非常小，所以在表面張力的作用下，液滴就會向上回彈，並沒有什麼新奇的現象出現。

但當我把直線變成這樣的阿基米德螺旋曲線的時候，有意思的現象出現了。這種圖形能對液滴產生非常大的粘附力，所以液滴不能直接向上回彈，而是沿着圖形緩慢地回縮。在液滴的回縮過程中，我看到液滴出現了轉動的趨勢，但對這個過程進行分析之後，我發現這個圖案的設計存在着缺陷，會讓液滴消耗很多的能量，當所有的動能都消耗完了以後，液滴也就靜止在了中心區域。

對這個圖形進行優化，我去掉了圖形的中心，只留下一段圓弧，這樣既能利用圓弧和液滴之間的不對稱粘附力，對液滴的行為進行控制，又能減小圖形的中心，對液滴能量的過度消耗。當液滴落到這種表面以後，會發生側向的回彈，同時在回彈過程中，液滴出現了轉動的趨勢，但由於這種圖形本身是非常不對稱的，所以液滴的回彈和轉動非常難以控制。

最終我引入了對稱性設計，把四條上面的曲線，按照一定的規則設計成這種花瓣的形狀，當液滴落到這種表面以後，就能出現大家開始看到的那種跳芭蕾舞的場景了。

這個現象是非常奇特的，因為**根據牛頓碰撞定律：如果一個物體自由落體落到另外一個物體表面，那麼它只會發生速度大小和方向的改變，而不會產生轉動。**這個規律對於普通的水滴落到固體表面來説同樣適用，**但我通過在固體表面設計親疏水的圖案，能讓液滴碰撞以後產生轉動。可以説這個發現大大拓展了牛頓碰撞定律的描述範疇，**所以當我們這個工作發表以後，得到了世界範圍內的廣泛關注。

《紐約時報》專門為我們做了一期視頻，對我們的工作進行亮點報道，“向偉大的牛頓爵士致敬”，他們稱：我們這種液滴旋轉行為是違揹物理規律的，這種旋轉的“液滴是最強的舞王”。次日這篇報道又被《紐約時報》選為每日一文，這是《紐約時報》從前一天發表的所有報道里邊選出一篇有啓發性的報道，並提出一些問題 ，供讀者思考和學習。這個工作也被日本的NHK電視台，製作成了青少年的科普節目。

**我們進一步思考液滴能夠旋轉，説明液滴有轉動動能，那麼這部分能量我們能否加以收集和利用呢？**當我最初提出這個問題的時候，很多人覺得這是天方夜譚，畢竟整個過程只有幾個毫秒。但是我們可以逆向地思考這個問題，大家都知道牛頓第三定律：如果兩個物體相互作用，那麼它們之間的作用力大小相等，方向相反。

液滴是在鋁片的作用下產生轉動的，那麼理論上來説，液滴也會給鋁片一個反作用力，讓它產生反向的轉動，但在實驗過程中我看到鋁片一直是靜止的，並沒有產生轉動。分析這個過程，液滴的質量只有4.8毫克，但鋁片的質量超過了12克，遠遠大於了液滴的質量，同時鋁片和它的支撐物之間有很大的摩擦力，這個摩擦力也遠大於水滴對它產生的驅動力，所以這樣鋁片一直保持靜止。

這就好比一個人在推一輛重型卡車，如果我們想要推動這輛卡車，一方面需要我們對卡車減重，另外一方面還要降低卡車輪胎和地面之間的摩擦力系數。減重相對容易一些，我們可以使用更小更薄的鋁片，但如何才能有效的降低摩擦力系數呢？為此我想到了使用磁懸浮系統。

這套簡單的磁懸浮系統，上面是石墨片，下邊是磁鐵，由於石墨片有很強的抗磁性，所以它能穩定地漂浮在磁鐵的上方，石墨片和磁鐵之間就沒有發生實際的物理接觸，從而它在運動的時候也就幾乎不會受到磁鐵產生的摩擦阻力。

當我把圖案化的鋁片放到石墨片上的時候，石墨片依然能保持穩定的漂浮狀態，這樣鋁片運動時的摩擦阻力系數，就得到了大幅度的降低，當液滴落到這種表面以後，可以在10毫秒之內從表面旋轉、回縮、並從表面脱離，而石墨片和鋁片能夠在液滴的驅動下，反向轉動超過8秒的時間。我們就可以把液滴下落之前的重力勢能，首先轉化成它的動能，最終轉化成了鋁片的動能，而轉動的鋁片是可以用來發電的，就像我們平常看到的風車或者水輪。

設想在未來下雨天的晚上，雨滴落到雨傘或者建築物的表面就能自動發光，從而照亮我們的城市為我們指引前進的方向。

水滴旋轉這個現象是非常新奇的，但是我們還要把它背後更深層次，更本質的規律揭示出來，給別人以啓發和指導，這才是更有意義的。

和液滴落到玻璃或者是荷葉表面不同，我在固體表面引入了親疏水性的圖案，而這種圖案的設計對於液滴的旋轉來説是至關重要的。對於一個平面圖形來説，它有兩個對稱性，一個是旋轉對稱性，另外一個是鏡面對稱性。如果一個圖形沿着一條對稱軸，旋轉一定角度可以和自身重合，那我們就説這個圖形具有旋轉對稱性；而如果一個圖形沿着一條直線對摺，形成的兩部分可以重合，那我們就説這個圖形具有鏡面對稱性。

和我們前面提到的親疏水性結合起來就會發現，如果一個圖形是旋轉對稱的，那麼液滴落到這種表面以後，受到的合外力為零，也就是説液滴在回彈過程中，不會發生側向偏移。而如果一個圖形具有鏡面對稱性，那麼液滴落到這種表面以後，受到的合力矩為零，也就是説液滴在回彈過程中不會產生轉動。

把這兩個對稱性進行排列組合，我們就可以得到四種不同的圖形設計，而這四種圖形設計又對應着，四種不同類型的液滴碰撞和回彈行為。

如果一個圖形只有旋轉對稱性，那麼液滴落到這種表面以後，受到的合外力為零，但合力矩不為零，這樣液滴在回彈過程中就會發生轉動。

而如果一個圖形只有鏡面對稱性，那麼液滴落到這種表面以後，受到的合力矩為零，但合外力不為零，這樣液滴在回彈過程中就會發生側向的偏移。

而如果一個圖形既有旋轉對稱性，也有鏡面對稱性，那麼液滴在這種表面受到的合外力和合力矩都為零，也就是説液滴既不會旋轉，也不會側向偏移，而是豎直向上回彈。

而如果一個圖形完全不對稱，那麼液滴在這種表面既會受到合外力，也會受到合力矩，那麼液滴在回彈過程中既會側偏也會旋轉。

這四種圖案設計，囊括了所有類型的液滴碰撞和回彈行為。有了這些規律，我們就可以讓雨滴，自發地彈跳到雨水收集裝置中，也能讓水滴加快從固體表面脱離，防止固體表面的結冰，可以説我們能夠隨心所欲地控制下落的液滴，在物體表面的碰撞和回彈行為。

**但是對於那些已經靜止在固體表面的液滴來説，它們的行為我們能否控制呢？**為此我設計了一種液滴機器人，就像咱們人的兩個手一樣，我可以控制機器人的兩個手完成一系列的液滴操作。比如説我可以控制這兩個手，抓取液滴，搬運液滴，當這兩個手的距離靠近的時候，又能從大液滴中切割出一個小液滴，而這兩個手的距離變大又能釋放液滴，轉動兩個手又可以對液滴進行攪拌。

同時我還可以對機器人的兩個手，進行各種各樣的表面處理，讓它們適應多種不同的環境。比如説我可以給機器人的兩個手戴上疏水性的手套，這樣它們就可以在水下對油滴進行操作，甚至可以抓取和收集散落在水底的氣泡。上面這些就是液滴機器人的一些基本操作，把這些基本操作聯繫起來，我們就能完成非常複雜的過程。

在法醫鑑定領域，魯米諾檢測是一種常用的檢測手段，它可以鑑定微量血液中的鐵元素，從而判斷案發現場是否有血跡。但是魯米諾試劑是一種強酸，會對我們的眼睛、皮膚和呼吸道產生刺激作用。

使用我設計的這種液滴機器人，就可以對魯米諾檢測進行遠程操作：首先用機器人的兩個手拖動雙氧水液滴，讓它和魯米諾試劑混合；

充分混合以後，把混合試劑拖入到待檢測樣品中進行檢測，可以看到待檢測樣品出現了藍綠色的熒光，説明樣品中含有鐵元素；

檢測完成以後，機器人可以張開它的兩個手釋放液滴，而這兩個手又可以回到清水中完成洗手的操作，便於後面的循環使用。而機器人的所有操作，都可以通過提前編程來完成，完全無需人的協助，這樣我們既能保護醫護人員免受傷害，又能解放他們的雙手，提高檢測的效率。

對液滴行為的研究到現在已經有幾百年歷史了，經過這些年的發展，液滴也已經應用在我們生活的方方面面，比如説生物檢測、表面防污、噴墨打印等等。但同時我們也應該看到，對液滴行為的研究，需要我們做出更多的努力。

比如説現在我們的航空航天科技非常的發達，但在太空這種失重環境下，我們應該怎樣控制液滴的行為，才能讓宇航員生活得更加方便和舒適呢？

再比如説在《終結者2》這部電影裏面，無惡不作的反派大BOSS，就是通過液滴融合和變形實現永生的。

但在現實生活中，我們如何賦予液滴生命，才能讓它們變化出我們想要的任意形狀呢？對液滴行為的研究可以説是任重道遠，我也將一直進行下去。