太美了！看中国科学家如何操纵水滴跳舞

来源 | DeepTech深科技（deeptechchina）

作者 | 贺涛

只要有合适的“舞台”，任何一颗水滴都可以跳舞。

在中国科学院化学研究所研究员宋延林的实验室中，就有一些经过特殊设计的表面, 水滴落到上面后，会扭曲、旋转甚至跳起了“芭蕾舞”。

液滴回转与模拟结果的比较 | 宋延林

会跳舞的水滴 | 宋延林

这是宋延林团队与清华大学冯西桥、李群仰等的合作研究，它实现了对液滴碰撞行为的精确控制，并且首次实现了物体碰撞前后运动形式的转变。这些研究适用于从汽车的挡风玻璃到飞机机翼的各个地方。

该研究于 3 月上旬在 Nature Communications 上发表。但最近，有国外媒体将这项研究中高速拍摄的水滴舞蹈视频剪辑发布，水滴的优美舞姿吸引了众多点击观看。

液滴对疏水性胶粘剂表面的冲击和回弹 | 宋延林

控制水滴的行为

纳米绿色印刷技术是宋延林和其团队的一个主攻方向。“我们在对打印墨滴控制的过程中发现这个现象。”宋延林向 DeepTech 表示，当墨滴落到有图案的基底上，不是简单地反弹或溅射，而是会出现旋转。

他们抓住了这个有趣现象，持续跟进研究。

水滴落到固体表面后的动态行为一般在几毫秒到十几毫秒的时间内完成。

来源：宋延林

当一颗水滴撞到荷叶表面，水滴会先铺展，然后回缩、回弹，脱离表面；而滴到玻璃上的水滴，会直接摊开成一层水膜。这是由于荷叶的叶面具有极强的疏水性, 洒在上面的水会自动聚集成水珠；而玻璃表面比较亲水，同时对水具有较大的粘附力。

研究人员把这两种效应结合，构筑图案化的亲疏水表面。

首先，给氧化铝板穿上超防水涂层“外衣”——类似于不粘锅中的涂层；接下来，研究人员掩盖了表面的一些区域，并在整块板上照射紫外光。暴露于紫外线的区域变得非常亲水，水接触这些区域后立即扩散，而不是反弹回来。

表面非均匀性引起的液滴驱动的多样性 | 宋延林

如此一来，当一颗水滴落到经特殊处理的表面，接触亲水图案的水比接触疏水表面的水，反弹速度要慢很多。速度的差异导致反弹水滴会向右或向左反弹，还会旋转起来，这取决于表面上的图案。

宋延林表示，图案的对称性对于液滴的行为非常重要。而且图案的大小应该与液滴大小相当。

目前，通过改变材料表面上的图案，研究人员可以基本上控制舞蹈水滴的舞姿。主要的图案设计包括，半月形、风车形和一种分成三条曲线的圆形。

通过对图案的设计，可以对粘附力的大小及方向进行调节。当粘附力的作用在液滴内部形成力矩时，随着液滴的回缩，力矩作用逐渐累积，液滴就获得角动量，从而产生旋转行为 | 宋延林

液滴产生旋转的分解图 | 宋延林

对于两个物体的碰撞，艾萨克·牛顿早在三百多年前就做了大量实验研究。一般来说，碰撞前后改变的是物体的速度大小和方向，很难改变物体的运动形态。

但在本研究中，水滴的运动形态首次由碰撞之前的平动变为了碰撞之后的转动。宋延林认为，该现象与经典的“牛顿碰撞定律”有明显不同。

潜在应用前景

无论在自然界，还是在生产、生活中，到处都能看到液滴落到固体表面的碰撞行为，如雨打芭蕉、农药喷洒、喷墨打印等。

一颗染料液滴的独舞 | 宋延林

液滴在撞击这些表面后，可能会弹回或飞溅，这取决于固体表面的结构和化学性质。由于液滴具有可变形性，且撞击液滴与固体发生相互作用的速度极快，操控这种行为并不容易。

利用单个液滴进行物体驱动的新型液滴驱动器 | 宋延林

事实上，液滴碰撞行为与人类的生产、生活关系紧密。如雨滴对多孔土壤的撞击被认为是空气中浮尘形成的成因之一；农药喷洒过程中，超过 50% 的农药液滴因为碰撞到作物叶片后的回弹而浪费；喷墨打印的墨滴碰撞行为对打印的精度和质量起到关键作用。

在研究人员特殊设计的表面上，水滴的碰撞运动变得十分听话。

研究人员通过同步高速成像系统，对水滴的行为进行了详细记录与分析。他们发现，下落的水滴撞击到特殊表面后，能够产生高速旋转，每分钟约 7300 转。

水滴在亲水图案粘附力的作用下，形成四角的裂分结构，在空中跳起了“芭蕾”。

通过理论分析与数值模拟，水滴跳舞背后的科学原理揭开了：当液滴碰撞到基底表面后，首先铺展形成圆形液膜，然后液膜在表面张力的作用下开始回缩；此时，由于基底表面不同区域具有差异化的粘附力，导致液滴各部分的回缩速度不同，并在液滴内部形成力矩；力矩的作用效果随着液膜的回缩逐渐累积，在液膜回缩完成后形成角动量，赋予液滴旋转的能力。

宋延林分析称，水滴碰撞后产生高速旋转，实现液体平动能向转动能的转化。这与水力发电过程中，水的动能转化为发电机转子的动能进而产生电能类似，这种水滴的转动能也能够被收集与利用。

基于此原理，研究人员研制了利用单个液滴进行物体驱动的新型液滴驱动器，将图案化处理的基底漂浮在磁悬浮系统中，水滴落在表面后产生旋转运动。在此过程中，基底在液滴驱动下会朝着特定方向旋转。

此外，宋延林表示，这项技术未来也许可以用来开发自清洁的汽车挡风玻璃，为飞机机翼除霜，甚至回收雨滴的能量。