【CC讲坛】李会增：未来，让每一滴水都能跳着芭蕾来发电
超出经典 “牛顿碰撞定律”的描述范畴，中国科学家让水滴跳起了芭蕾，为新型液体运动形式的研究与利用提供了新的思路。
未来，让每一滴水都能跳着芭蕾来发电。
李会增
中国科学院化学研究所 博士
下雨是一种非常常见的天气现象，相信大家都经历过很多次，尤其是在我国的南方地区，每年的这个时候都会有持续的阴雨天气。提到下雨大家会想到什么呢？潮湿、雨伞、还是说雨滴落到地上溅起的这种小水花。
今天我要告诉大家，在下雨天，我还能让雨滴跳芭蕾。
在让雨滴跳芭蕾舞之前，我们先要了解一下，雨滴落到地上会经历怎样的过程。一滴水滴落到固体表面，发生的过程取决于固体表面的性质，比如说水滴落到玻璃这种亲水表面和荷叶这种疏水表面会有完全不同的结果。水滴会直接粘附在玻璃表面，而在荷叶表面则是完全的不粘附，从而产生这种大珠小珠落玉盘的效果，但是不管哪一种情况，整个过程都在10毫秒之内结束。
10毫秒是个什么概念呢？我们普通人眼的视觉暂留时间大概是50毫秒左右，在50毫秒之内发生的整个事情，我们的眼睛是没办法分辨的，为此我使用了一台高速摄像机，它每秒能拍摄几万张图片，这样我就可以对水滴落到固体表面的整个过程进行观测和记录。
这是高速相机视角下的水滴落到亲水表面和疏水表面的整个过程，播放速度放慢了300倍。
水滴落到亲水表面，会铺展成一个圆形的液膜，而在疏水表面，水滴铺展成液膜以后，会发生均匀的回缩，并最终从固体表面回弹脱离表面。这两个过程就像一个事物的两个方面，一个是完全的粘附，另一个是完全的不粘附。
当我把这两个表面结合在一起，加上合理设计的时候，有意思的现象出现了。水滴落到这种表面以后，在回缩过程中竟然出现了转动，跳起了芭蕾舞。
这也是世界上首次发现，水滴落到固体表面会产生转动的行为。这种水滴跳芭蕾舞的行为，持续时间只有几个毫秒，对于这种转瞬即逝的现象，我是如何发现的呢？
这就要提到我博士阶段的导师中国科学院化学研究所的宋延林研究员。宋老师主张绿色科研，提出了纳米绿色印刷的概念。我们平常使用的书籍和报纸等印刷品，都是通过印版把油墨印刷在纸张表面制作而成的，而印版就像我们使用的印章，表面分为图文区和非图文区，其中图文区沾油墨，而非图文区不沾油墨。
在传统印刷行业中，印版的制作要经过多步的曝光、显影等步骤，过程非常复杂，整个过程中需要避光操作，同时会有污染和浪费产生。为了解决这个问题，宋老师带领团队经过多年的摸索和努力，提出可以使用纳米打印的方法制作印版。在亲水的版材表面，打印亲油的图案，并且通过版材表面的纳米结构增强图案的牢固性。这样亲油图案去沾油墨，而其它区域不沾油墨，只需一步就能完成印版的整个制作过程，并且整个过程中无需避光，同时完全没有污染和浪费，可以说非常的绿色环保。目前这项技术已经应用在国内的多家印刷厂，也已经被韩国所引进和使用。
对于打印制版这项技术来说，其中一个非常关键的问题就是打印墨滴，在印版表面的铺展过程。
博士期间我的研究课题是利用铝板表面的亲疏水性，对液滴的动态行为进行控制。我在亲水的铝板表面，制作了一条只有分子层厚度的疏水性条带，当液滴落到这种表面以后，形成的液膜在两侧的亲水区域发生粘附，而在中间的疏水条带区域则可以回缩，这样疏水性的条带就能像液刀一样，在几毫秒的时间之内，把液滴切割成两个小液滴，并且我可以改变这种分子液刀的设计，从而把一滴液滴切割成多种多样的小液滴。
把这种技术使用到打印过程中，只需要打印一次就能同时得到多个墨滴，从而大幅度提高打印过程的速度，同时这些墨滴的形状和分布方式又可以精确地控制，可以提高打印过程的质量。
在这个过程中我发现，用液刀切割形成的小液滴非常干净，它们之间相互独立，完全没有物质交换，而这种性质对于检测来说是非常重要的。当我把一滴液滴，滴到这种表面以后，它就能自动裂分成很多份，而每一份又能独立地完成各自的检测。现在大家在体检的时候，往往要抽取满满的几管血，在未来，我们也许只需要采一滴血，就能完成所有血液指标的检测。
在完成这个研究以后，我开始思考如果把固体表面的亲疏水性颠倒会有什么结果？按照预先设计，我在疏水的铝片表面，设计了一条亲水性的条带，当液滴落到这种表面以后，由于两侧的疏水性区域，对液滴产生的粘附力非常小，所以在表面张力的作用下，液滴就会向上回弹，并没有什么新奇的现象出现。
但当我把直线变成这样的阿基米德螺旋曲线的时候，有意思的现象出现了。这种图形能对液滴产生非常大的粘附力，所以液滴不能直接向上回弹，而是沿着图形缓慢地回缩。在液滴的回缩过程中，我看到液滴出现了转动的趋势，但对这个过程进行分析之后，我发现这个图案的设计存在着缺陷，会让液滴消耗很多的能量，当所有的动能都消耗完了以后，液滴也就静止在了中心区域。
对这个图形进行优化，我去掉了图形的中心，只留下一段圆弧，这样既能利用圆弧和液滴之间的不对称粘附力，对液滴的行为进行控制，又能减小图形的中心，对液滴能量的过度消耗。当液滴落到这种表面以后，会发生侧向的回弹，同时在回弹过程中，液滴出现了转动的趋势，但由于这种图形本身是非常不对称的，所以液滴的回弹和转动非常难以控制。
最终我引入了对称性设计，把四条上面的曲线，按照一定的规则设计成这种花瓣的形状，当液滴落到这种表面以后，就能出现大家开始看到的那种跳芭蕾舞的场景了。
这个现象是非常奇特的，因为根据牛顿碰撞定律：如果一个物体自由落体落到另外一个物体表面，那么它只会发生速度大小和方向的改变，而不会产生转动。这个规律对于普通的水滴落到固体表面来说同样适用，但我通过在固体表面设计亲疏水的图案，能让液滴碰撞以后产生转动。可以说这个发现大大拓展了牛顿碰撞定律的描述范畴，所以当我们这个工作发表以后，得到了世界范围内的广泛关注。
《纽约时报》专门为我们做了一期视频，对我们的工作进行亮点报道，“向伟大的牛顿爵士致敬”，他们称：我们这种液滴旋转行为是违背物理规律的，这种旋转的“液滴是最强的舞王”。次日这篇报道又被《纽约时报》选为每日一文，这是《纽约时报》从前一天发表的所有报道里边选出一篇有启发性的报道，并提出一些问题 ，供读者思考和学习。这个工作也被日本的NHK电视台，制作成了青少年的科普节目。
我们进一步思考液滴能够旋转，说明液滴有转动动能，那么这部分能量我们能否加以收集和利用呢？当我最初提出这个问题的时候，很多人觉得这是天方夜谭，毕竟整个过程只有几个毫秒。但是我们可以逆向地思考这个问题，大家都知道牛顿第三定律：如果两个物体相互作用，那么它们之间的作用力大小相等，方向相反。
液滴是在铝片的作用下产生转动的，那么理论上来说，液滴也会给铝片一个反作用力，让它产生反向的转动，但在实验过程中我看到铝片一直是静止的，并没有产生转动。分析这个过程，液滴的质量只有4.8毫克，但铝片的质量超过了12克，远远大于了液滴的质量，同时铝片和它的支撑物之间有很大的摩擦力，这个摩擦力也远大于水滴对它产生的驱动力，所以这样铝片一直保持静止。
这就好比一个人在推一辆重型卡车，如果我们想要推动这辆卡车，一方面需要我们对卡车减重，另外一方面还要降低卡车轮胎和地面之间的摩擦力系数。减重相对容易一些，我们可以使用更小更薄的铝片，但如何才能有效的降低摩擦力系数呢？为此我想到了使用磁悬浮系统。
这套简单的磁悬浮系统，上面是石墨片，下边是磁铁，由于石墨片有很强的抗磁性，所以它能稳定地漂浮在磁铁的上方，石墨片和磁铁之间就没有发生实际的物理接触，从而它在运动的时候也就几乎不会受到磁铁产生的摩擦阻力。
当我把图案化的铝片放到石墨片上的时候，石墨片依然能保持稳定的漂浮状态，这样铝片运动时的摩擦阻力系数，就得到了大幅度的降低，当液滴落到这种表面以后，可以在10毫秒之内从表面旋转、回缩、并从表面脱离，而石墨片和铝片能够在液滴的驱动下，反向转动超过8秒的时间。我们就可以把液滴下落之前的重力势能，首先转化成它的动能，最终转化成了铝片的动能，而转动的铝片是可以用来发电的，就像我们平常看到的风车或者水轮。
设想在未来下雨天的晚上，雨滴落到雨伞或者建筑物的表面就能自动发光，从而照亮我们的城市为我们指引前进的方向。
水滴旋转这个现象是非常新奇的，但是我们还要把它背后更深层次，更本质的规律揭示出来，给别人以启发和指导，这才是更有意义的。
和液滴落到玻璃或者是荷叶表面不同，我在固体表面引入了亲疏水性的图案，而这种图案的设计对于液滴的旋转来说是至关重要的。对于一个平面图形来说，它有两个对称性，一个是旋转对称性，另外一个是镜面对称性。如果一个图形沿着一条对称轴，旋转一定角度可以和自身重合，那我们就说这个图形具有旋转对称性；而如果一个图形沿着一条直线对折，形成的两部分可以重合，那我们就说这个图形具有镜面对称性。
和我们前面提到的亲疏水性结合起来就会发现，如果一个图形是旋转对称的，那么液滴落到这种表面以后，受到的合外力为零，也就是说液滴在回弹过程中，不会发生侧向偏移。而如果一个图形具有镜面对称性，那么液滴落到这种表面以后，受到的合力矩为零，也就是说液滴在回弹过程中不会产生转动。
把这两个对称性进行排列组合，我们就可以得到四种不同的图形设计，而这四种图形设计又对应着，四种不同类型的液滴碰撞和回弹行为。
如果一个图形只有旋转对称性，那么液滴落到这种表面以后，受到的合外力为零，但合力矩不为零，这样液滴在回弹过程中就会发生转动。
而如果一个图形只有镜面对称性，那么液滴落到这种表面以后，受到的合力矩为零，但合外力不为零，这样液滴在回弹过程中就会发生侧向的偏移。
而如果一个图形既有旋转对称性，也有镜面对称性，那么液滴在这种表面受到的合外力和合力矩都为零，也就是说液滴既不会旋转，也不会侧向偏移，而是竖直向上回弹。
而如果一个图形完全不对称，那么液滴在这种表面既会受到合外力，也会受到合力矩，那么液滴在回弹过程中既会侧偏也会旋转。
这四种图案设计，囊括了所有类型的液滴碰撞和回弹行为。有了这些规律，我们就可以让雨滴，自发地弹跳到雨水收集装置中，也能让水滴加快从固体表面脱离，防止固体表面的结冰，可以说我们能够随心所欲地控制下落的液滴，在物体表面的碰撞和回弹行为。
但是对于那些已经静止在固体表面的液滴来说，它们的行为我们能否控制呢？为此我设计了一种液滴机器人，就像咱们人的两个手一样，我可以控制机器人的两个手完成一系列的液滴操作。比如说我可以控制这两个手，抓取液滴，搬运液滴，当这两个手的距离靠近的时候，又能从大液滴中切割出一个小液滴，而这两个手的距离变大又能释放液滴，转动两个手又可以对液滴进行搅拌。
同时我还可以对机器人的两个手，进行各种各样的表面处理，让它们适应多种不同的环境。比如说我可以给机器人的两个手戴上疏水性的手套，这样它们就可以在水下对油滴进行操作，甚至可以抓取和收集散落在水底的气泡。上面这些就是液滴机器人的一些基本操作，把这些基本操作联系起来，我们就能完成非常复杂的过程。
在法医鉴定领域，鲁米诺检测是一种常用的检测手段，它可以鉴定微量血液中的铁元素，从而判断案发现场是否有血迹。但是鲁米诺试剂是一种强酸，会对我们的眼睛、皮肤和呼吸道产生刺激作用。
使用我设计的这种液滴机器人，就可以对鲁米诺检测进行远程操作：首先用机器人的两个手拖动双氧水液滴，让它和鲁米诺试剂混合；
充分混合以后，把混合试剂拖入到待检测样品中进行检测，可以看到待检测样品出现了蓝绿色的荧光，说明样品中含有铁元素；
检测完成以后，机器人可以张开它的两个手释放液滴，而这两个手又可以回到清水中完成洗手的操作，便于后面的循环使用。而机器人的所有操作，都可以通过提前编程来完成，完全无需人的协助，这样我们既能保护医护人员免受伤害，又能解放他们的双手，提高检测的效率。
对液滴行为的研究到现在已经有几百年历史了，经过这些年的发展，液滴也已经应用在我们生活的方方面面，比如说生物检测、表面防污、喷墨打印等等。但同时我们也应该看到，对液滴行为的研究，需要我们做出更多的努力。
比如说现在我们的航空航天科技非常的发达，但在太空这种失重环境下，我们应该怎样控制液滴的行为，才能让宇航员生活得更加方便和舒适呢？
再比如说在《终结者2》这部电影里面，无恶不作的反派大BOSS，就是通过液滴融合和变形实现永生的。
但在现实生活中，我们如何赋予液滴生命，才能让它们变化出我们想要的任意形状呢？对液滴行为的研究可以说是任重道远，我也将一直进行下去。