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一滴水，能夠干什么？

  當唐代詩人韋應物留下“秋荷一滴露，清夜墜玄天；將來玉盤上，不定始知圓”的美妙的詩篇的時候，他不會想到，一千多年后的今天，這滴水會像Pizza一樣“餅狀彈跳”，會“蹦床”，會跳起“芭蕾舞”，會實現(xiàn)“水往高處走”，還可以用來發(fā)電，點亮這個世界。

液滴在曲面表面上非對稱彈跳丨王鉆開課題組【2】

液滴在超疏水表面上蹦床丨ETH Dimos Poulikakos課題組【3】

液滴可以在超疏水表面上快速鋪展而不彈跳丨江雷課題組【5】

奇妙，水往高處走丨鄧旭/王鉆開/Butt課題組【6】

  地球上的水資源不計其數(shù)，全球表面積的70%被廣闊的海域覆蓋，世界年降水量近50萬億噸，這些龐大的水資源就像是開采甚少的能源寶藏。從能源開發(fā)的角度考慮，其蘊含著巨大的機械能。如何有效的將低頻的無序的水運動的能量高效收集起來，是近年來能源領(lǐng)域的研究熱點之一。 最近，香港城市大學的王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校的曾曉成教授和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作，開發(fā)了一種新型液滴發(fā)電機，使得傳統(tǒng)方案中水滴機械能轉(zhuǎn)化為電能的功率得到3個數(shù)量級的提高。 

  液滴發(fā)電機的基本原理液滴發(fā)電機由鋁（Al）電極，聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和氧化銦錫(ITO)電極三層結(jié)構(gòu)組成(圖1)，這種結(jié)構(gòu)與場效應晶體管結(jié)構(gòu)（FET三極管）很類似。作為集成電路的最基本單元，三極管的發(fā)明深刻的改變了信息傳遞的方式，并于1956年獲得諾貝爾物理獎。它由柵極、源極、漏極三個極組成，基本原理是通過調(diào)節(jié)柵極上的門電壓，從而控制源極和漏極之間溝道的形成，進一步控制兩極之間電荷的流動。

  PTFE/ITO和Al電極的作用類似于場效應管中的源極和漏極，用于儲存、轉(zhuǎn)移電荷，而動態(tài)的水滴則與FET中的柵極門有著異曲同工之妙。柵極作為一個開關(guān)，使源極和漏極之間形成通路，表面儲存的大量電荷可以藉此得以釋放。 

圖1. 液滴發(fā)電機設(shè)計 

  具體而言，整個過程分為三步：1）通過重復液滴撞擊PTFE表面讓其捕獲并穩(wěn)定存儲大量靜電荷，最終形成很高的表面電荷密度（圖2）。2）動態(tài)的水滴則與FET中的柵極門有著異曲同工之妙，當水滴鋪展至接觸Al電極時，整個裝置便形成閉合的回路，電荷得以在ITO電極和Al電極之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，并輸出電能（圖3）。3）整個發(fā)電裝置就回到原始狀態(tài)，形成一個完全可逆，重復工作的回路。隨著反復的液滴撞擊與脫離，積存在ITO上高密度電荷(由PTFE表面電荷靜電感應形成)得以在ITO電極和Al電極之間反復流動。 

圖2. PTFE表面電荷量隨著液滴撞擊逐漸增加并最終達到飽和 

  核心創(chuàng)新點1）電荷密度得到數(shù)量級提高；與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比，固體表面的電荷密度可以通過液滴反復撞擊或者離子注入大大提高。2）類FET三極管結(jié)構(gòu)設(shè)計使得整個發(fā)電過程形成閉合回路。這項工作中則采用了類場效應管晶體管（FET）三極管結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成了一個體效應，可以使產(chǎn)生的大量電荷得以快速轉(zhuǎn)移。 

圖3. 液滴撞擊導致的電荷轉(zhuǎn)移 

  3個數(shù)量級的功率提升由于類FET結(jié)構(gòu)和高表面電荷密度這兩個因素的巧妙結(jié)合，新型液滴發(fā)電機展現(xiàn)出超強的發(fā)電效率：僅僅一個100微升的水滴從15厘米的高度撞擊到裝置表面，可以產(chǎn)生超過140 V的電壓、200 μA的電流，并且其最大功率可以達到50.1 W m^-2（圖4），這些性能均比傳統(tǒng)液滴發(fā)電機設(shè)計方案高幾個數(shù)量級。 

圖4.400個LED燈珠可以被四個液滴點亮

  不僅如此，新型液滴發(fā)電機透明、光滑，且對高濕度、低溫等多種極端環(huán)境，均有較強的抵抗能力。也許在不久的將來，大規(guī)模集成的新型液滴發(fā)電機會出現(xiàn)在窗戶、屋頂、海邊，收集著這些無處不在的能源，為解決人類日漸枯竭的能源問題做出貢獻。 

專訪 

  1）液滴發(fā)電機和傳統(tǒng)水力發(fā)電、潮汐發(fā)電相比，區(qū)別是什么？優(yōu)勢在哪里？

  王鉆開教授：與傳統(tǒng)的液滴發(fā)電機相比，我們的固體表面的電荷密度可以通過液滴反復撞擊或者離子注入大大提高。另外，這種設(shè)計不局限于液滴，也適用于波浪發(fā)電。傳統(tǒng)水力發(fā)電、潮汐發(fā)電只能利用中高頻運動，而我們設(shè)計的新型發(fā)電機恰恰可以高效地收集低頻的海浪能源，為解決能源危機提供新的范式。 

  2）這種新型的液滴發(fā)電機和傳統(tǒng)摩擦發(fā)電機相比，主要創(chuàng)新點在哪里？

除此之外，為了考慮整個方案的實際可行性，我們都是采用最簡單的設(shè)計。不需要特殊的二維材料或者超疏水材料等等，直接以常規(guī)的PTFE、ITO和Al構(gòu)成發(fā)電機；一滴水，就能點亮LED燈。 

  3）這項研究中，遇到最大的困難是什么？如何解決的？

  王鉆開教授：如果說困難，那就是關(guān)于電荷分離的問題。為了保證發(fā)電機高效工作，水滴撞擊表面后，需要盡快離開表面。我們最初嘗試了超疏水材料，但是考慮到目前超疏水材料的耐候性差的特點，最終還是選擇了普通的平面。我們發(fā)現(xiàn)，這種簡單的設(shè)計，也能得到非常好的效果。 

  論文的共同第一作者是：香港城大機械工程學系的徐王淮 、鄭煥璽 、周曉峰（現(xiàn)為華東師范大學副教授），以及美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校的劉源。其他合作者包括：中國科學技術(shù)大學的徐曉嶸教授，香港城大能源及環(huán)境學院梁國熙教授、機械工程學系楊征保博士、博士后研究員張超博士和博士生宋雨欣，以及來自電子科技大學的鄧旭教授。

  參考文獻：

1. Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu,Tiezheng Qian, Julia M Yeomans, Zuankai Wang.Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces. Nature Physics, 10, 515-519(2014).

2. Yahua Liu, Matthew Andrew, Jing Li, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. Symmetry-breakingin drop bouncing on curved surfaces. Nature Communications, 6, 10034, (2015).

3. Thomas M.Schutzius, Stefan Jung, Tanmoy Maitra, Gustav Graeber, Moritz K?hme, Dimos Poulikakos, Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces，Nature，527, 82(2015).

4. Huizeng Li, Wei Fang, Yanan Li, Qiang Yang, Mingzhu Li, Qunyang Li, Xi-Qiao Feng &Yanlin Song Spontaneous droplets gyrating via asymmetric self-splitting onheterogeneous surfaces. Nature Communications, 10, 950 (2019).

5. Meirong Song, Jie Ju, Siqi Luo, Yuchun Han, Zhichao Dong, Yilin Wang, Zhen Gu, LingjuanZhang, Ruiran Hao, Lei Jiang. Controlling liquid splash on superhydrophobicsurfaces by a vesicle surfactant. Science Advances, 3, e1602188 (2017).

6. Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye, Jiaxi Cui, Longquan Chen,Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Vollmer Doris, Xu Deng. Surface charge printingfor programmed droplet transport. Nature Materials, 18, 936 (2019).

7. Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng,Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhonglin Wang, Xiao Cheng Zeng,Zuankai Wang. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density. Nature, Doi：10.1038/s41586-020-1985-6

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6