太美了！看中國科學家如何操縱水滴跳舞

只要有合適的「舞臺」，任何一顆水滴都可以跳舞。

在中國科學院化學研究所研究員宋延林的實驗室中，就有一些經過特殊設計的表面,水滴落到上面後，會扭曲、旋轉甚至跳起了「芭蕾舞」。

液滴迴轉與模擬結果的比較 | 宋延林

會跳舞的水滴 | 宋延林

這是宋延林團隊與清華大學馮西橋、李群仰等的合作研究，它實現了對液滴碰撞行為的精確控制，並且首次實現了物體碰撞前後運動形式的轉變。這些研究適用於從汽車的擋風玻璃到飛機機翼的各個地方。

該研究於 3 月上旬在 Nature Communications 上發表。但最近，有國外媒體將這項研究中高速拍攝的水滴舞蹈視頻剪輯發布，水滴的優美舞姿吸引了眾多點擊觀看。

液滴對疏水性膠粘劑表面的衝擊和回彈 | 宋延林

控制水滴的行為

納米綠色印刷技術是宋延林和其團隊的一個主攻方向。「我們在對列印墨滴控制的過程中發現這個現象。」宋延林向 DeepTech 表示，當墨滴落到有圖案的基底上，不是簡單地反彈或濺射，而是會出現旋轉。

他們抓住了這個有趣現象，持續跟進研究。

水滴落到固體表面後的動態行為一般在幾毫秒到十幾毫秒的時間內完成。

來源:宋延林

當一顆水滴撞到荷葉表面，水滴會先鋪展，然後回縮、回彈，脫離表面;而滴到玻璃上的水滴，會直接攤開成一層水膜。這是由於荷葉的葉面具有極強的疏水性, 灑在上面的水會自動聚集成水珠;而玻璃表面比較親水，同時對水具有較大的粘附力。

研究人員把這兩種效應結合，構築圖案化的親疏水表面。

首先，給氧化鋁板穿上超防水塗層「外衣」--類似於不粘鍋中的塗層;接下來，研究人員掩蓋了表面的一些區域，並在整塊板上照射紫外光。暴露於紫外線的區域變得非常親水，水接觸這些區域後立即擴散，而不是反彈回來。

表面非均勻性引起的液滴驅動的多樣性 | 宋延林

如此一來，當一顆水滴落到經特殊處理的表面，接觸親水圖案的水比接觸疏水表面的水，反彈速度要慢很多。速度的差異導致反彈水滴會向右或向左反彈，還會旋轉起來，這取決於表面上的圖案。

宋延林表示，圖案的對稱性對於液滴的行為非常重要。而且圖案的大小應該與液滴大小相當。

目前，通過改變材料表面上的圖案，研究人員可以基本上控制舞蹈水滴的舞姿。主要的圖案設計包括，半月形、風車形和一種分成三條曲線的圓形。

通過對圖案的設計，可以對粘附力的大小及方向進行調節。當粘附力的作用在液滴內部形成力矩時，隨著液滴的回縮，力矩作用逐漸累積，液滴就獲得角動量，從而產生旋轉行為 | 宋延林

液滴產生旋轉的分解圖 | 宋延林

對於兩個物體的碰撞，艾薩克·牛頓早在三百多年前就做了大量實驗研究。一般來說，碰撞前後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。

但在本研究中，水滴的運動形態首次由碰撞之前的平動變為了碰撞之後的轉動。宋延林認為，該現象與經典的「牛頓碰撞定律」有明顯不同。

潛在應用前景

無論在自然界，還是在生產、生活中，到處都能看到液滴落到固體表面的碰撞行為，如雨打芭蕉、農藥噴灑、噴墨列印等。

一顆染料液滴的獨舞 | 宋延林

液滴在撞擊這些表面後，可能會彈回或飛濺，這取決於固體表面的結構和化學性質。由於液滴具有可變形性，且撞擊液滴與固體發生相互作用的速度極快，操控這種行為並不容易。

利用單個液滴進行物體驅動的新型液滴驅動器 | 宋延林

事實上，液滴碰撞行為與人類的生產、生活關係緊密。如雨滴對多孔土壤的撞擊被認為是空氣中浮塵形成的成因之一;農藥噴灑過程中，超過 50% 的農藥液滴因為碰撞到作物葉片後的回彈而浪費;噴墨列印的墨滴碰撞行為對列印的精度和質量起到關鍵作用。

在研究人員特殊設計的表面上，水滴的碰撞運動變得十分聽話。

研究人員通過同步高速成像系統，對水滴的行為進行了詳細記錄與分析。他們發現，下落的水滴撞擊到特殊表面後，能夠產生高速旋轉，每分鐘約 7300 轉。

水滴在親水圖案粘附力的作用下，形成四角的裂分結構，在空中跳起了「芭蕾」。

通過理論分析與數值模擬，水滴跳舞背後的科學原理揭開了:當液滴碰撞到基底表面後，首先鋪展形成圓形液膜，然後液膜在表面張力的作用下開始回縮;此時，由於基底表面不同區域具有差異化的粘附力，導致液滴各部分的回縮速度不同，並在液滴內部形成力矩;力矩的作用效果隨著液膜的回縮逐漸累積，在液膜回縮完成後形成角動量，賦予液滴旋轉的能力。

宋延林分析稱，水滴碰撞後產生高速旋轉，實現液體平動能向轉動能的轉化。這與水力發電過程中，水的動能轉化為發電機轉子的動能進而產生電能類似，這種水滴的轉動能也能夠被收集與利用。

基於此原理，研究人員研製了利用單個液滴進行物體驅動的新型液滴驅動器，將圖案化處理的基底漂浮在磁懸浮系統中，水滴落在表面後產生旋轉運動。在此過程中，基底在液滴驅動下會朝著特定方向旋轉。

此外，宋延林表示，這項技術未來也許可以用來開發自清潔的汽車擋風玻璃，為飛機機翼除霜，甚至回收雨滴的能量。