撰文：王鉆開課題組，校審：晴天

　　一滴水，能夠干什么？

　　當(dāng)唐代詩人韋應(yīng)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(shí)候，他不會(huì)想到，一千多年后的今天，這滴水會(huì)像 Pizza 一樣“餅狀彈跳”，會(huì)“蹦床”，會(huì)跳起“芭蕾舞”，會(huì)實(shí)現(xiàn)“水往高處走”，還可以用來發(fā)電，點(diǎn)亮這個(gè)世界。

固/液接觸時(shí)間的吉尼斯世界紀(jì)錄丨王鉆開課題組

液滴在曲面表面上非對稱彈跳丨王鉆開課題組

液滴在超疏水表面上蹦床丨 ETH Dimos Poulikakos 課題組

液滴的芭蕾舞丨宋延林課題組

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

奇妙，水往高處走丨鄧旭/王鉆開/Butt 課題組

　　地球上的水資源不計(jì)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(yùn)含著巨大的機(jī)械能。如何有效的將低頻的無序的水運(yùn)動(dòng)的能量高效收集起來，是近年來能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

　　最近，香港城市大學(xué)的王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)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(jī)，使得傳統(tǒng)方案中水滴機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的功率得到 3 個(gè)數(shù)量級的提高。

　　液滴發(fā)電機(jī)的基本原理

　　液滴發(fā)電機(jī)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(yīng)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(jiǎng)。它由柵極、源極、漏極三個(gè)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(jìn)一步控制兩極之間電荷的流動(dòng)。

　　PTFE/ITO和 Al 電極的作用類似于場效應(yīng)管中的源極和漏極，用于儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移電荷，而動(dòng)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(gè)開關(guān)，使源極和漏極之間形成通路，表面儲(chǔ)存的大量電荷可以藉此得以釋放。

圖 1. 液滴發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

　　具體而言，整個(gè)過程分為三步：

　　1）通過重復(fù)液滴撞擊 PTFE 表面讓其捕獲并穩(wěn)定存儲(chǔ)大量靜電荷，最終形成很高的表面電荷密度（圖2）。

　　2）動(dòng)態(tài)的水滴則與 FET 中的柵極門有著異曲同工之妙，當(dāng)水滴鋪展至接觸 Al 電極時(shí)，整個(gè)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(gè)發(fā)電裝置就回到原始狀態(tài)，形成一個(gè)完全可逆，重復(fù)工作的回路。隨著反復(fù)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(yīng)形成)得以在 ITO 電極和 Al 電極之間反復(fù)流動(dòng)。

圖 2. PTFE 表面電荷量隨著液滴撞擊逐漸增加并最終達(dá)到飽和

　　核心創(chuàng)新點(diǎn)

　　1）電荷密度得到數(shù)量級提高；

　　與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比，固體表面的電荷密度可以通過液滴反復(fù)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(jì)使得整個(gè)發(fā)電過程形成閉合回路。

　　這項(xiàng)工作中則采用了類場效應(yīng)管晶體管（FET）三極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成了一個(gè)體效應(yīng)，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(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移

　　3個(gè)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(gè)因素的巧妙結(jié)合，新型液滴發(fā)電機(jī)展現(xiàn)出超強(qiáng)的發(fā)電效率：僅僅一個(gè) 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(dá)到 50.1 W m^-2（圖4），這些性能均比傳統(tǒng)液滴發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案高幾個(gè)數(shù)量級。

圖 4.400 個(gè) LED 燈珠可以被四個(gè)液滴點(diǎn)亮

　　不僅如此，新型液滴發(fā)電機(jī)透明、光滑，且對高濕度、低溫等多種極端環(huán)境，均有較強(qiáng)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(jī)會(huì)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(xiàn)。

　　納米人專訪

　　1）液滴發(fā)電機(jī)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(jī)相比，我們的固體表面的電荷密度可以通過液滴反復(fù)撞擊或者離子注入大大提高。另外，這種設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，而我們設(shè)計(jì)的新型發(fā)電機(jī)恰恰可以高效地收集低頻的海浪能源，為解決能源危機(jī)提供新的范式。

　　2）這種新型的液滴發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)摩擦發(fā)電機(jī)相比，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在哪里？

　　王鉆開教授：主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有兩點(diǎn)：1）通過液滴反復(fù)撞擊，電荷密度得到數(shù)量級提高；2）類 FET 三極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)發(fā)電過程形成閉合回路。兩者結(jié)合，將整個(gè)功率得到 3 個(gè)數(shù)量級的提高。

　　除此之外，為了考慮整個(gè)方案的實(shí)際可行性，我們都是采用最簡單的設(shè)計(jì)。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(jī)；一滴水，就能點(diǎn)亮 LED 燈。

　　3）這項(xiàng)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(jī)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(diǎn)，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(jì)，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(jī)械工程學(xué)系的徐王淮 、鄭煥璽 、周曉峰（現(xiàn)為華東師范大學(xué)副教授），以及美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的劉源。

　　其他合作者包括：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐曉嶸教授，香港城大能源及環(huán)境學(xué)院梁國熙教授、機(jī)械工程學(xué)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(xué)的鄧旭教授。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一篇脑洞大开的Nature：中国科学家用一滴水点亮了100个LED灯的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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