近日，中國科學院化學研究所宋延林課題組與清華大學馮西橋、李群仰等合作，發現下落的水滴撞擊到特殊平面后，能夠產生高速旋轉，每分鐘轉速超過7300 rpm，并在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。這項研究通過巧妙的設計實現了對液滴碰撞行為的精確控制，并且首次實現了物體碰撞前后運動形式的轉變，在水能采集、自清潔和防冰凍方面或具有應用價值。
水滴與平面碰撞后呈現的一系列演化形態 （圖片來源：宋延林課題組）
該研究于2019年3月5日發表在《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-019-08919-2），并被《Nature》雜志選作研究亮點，以“Putting a spin on droplets”為題進行了報道。
物體之間的碰撞，牛頓是這樣說的
兩個物體的碰撞是常見過程。早在三百多年前，偉大的科學家艾薩克·牛頓就對該過程做了大量實驗研究，并總結出了著名的牛頓碰撞定律：
兩個相互碰撞的物體，碰撞后的脫離速度與碰撞前的靠近速度之比稱為恢復系數。對于完全彈性碰撞來說，恢復系數為1，但這種情況只會出現在理想情況中；對于完全非彈性碰撞來說，恢復系數為0。真實的碰撞過程，恢復系數大部分介于0和1之間。一般來說，碰撞前后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。
牛頓與碰撞定律 圖片來源：百度
而在本工作中，水滴的運動形態首次由碰撞之前的平動變為了碰撞之后的轉動，該現象與經典的“牛頓碰撞定律”有明顯不同。
我們能控制水滴怎么飛
水滴落到固體表面后的動態行為一般在幾毫秒到十幾毫秒的時間內完成。水滴撞擊表面后的結果（水滴彈回或飛濺）取決于固體表面的結構和化學性質。但是，由于水滴具有可變形性，且撞擊水滴與固體發生相互作用的速度極快，操控這種行為存在一定難度。
研究人員借助同步高速成像系統，對這一行為進行了詳細的記錄與分析。他們發現，通過在疏水低粘附的基底表面構筑高粘附圖案，對水滴的碰撞過程進行誘導，使液滴能夠以超過7300轉每分的速度高速旋轉。液滴在粘附力的作用下形成四角的裂分結構，在空中跳起了“芭蕾”。
結合理論分析與數值模擬，他們揭示了該過程背后的科學原理。液滴碰撞到表面后，首先鋪展形成圓形液膜，然后液膜在表面張力的作用下開始回縮。此時，由于基底表面不同區域具有差異化的粘附力，因此液滴各部分的回縮速度不同，并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，在液膜回縮完成后形成角動量，賦予液滴旋轉的能力。
圖片來源：宋延林課題組
未來，發電模式可能改變！
液滴碰撞后產生高速旋轉，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，液滴碰撞過程中液滴的轉動能也能夠被收集與利用。
圖片來源：視覺中國
基于此原理，研究人員研制了利用單個液滴進行物體驅動的新型液滴驅動器，將圖案化浸潤性的基底漂浮在磁懸浮系統中，水滴落在表面后產生旋轉運動。在此過程中，基底在液滴驅動下能朝著特定方向旋轉。
這項研究為液體動能的利用（如水利發電）開拓了新的思路和方向。比如說，可以在合適的地方安裝這種微型水能發電裝置，而不必局限于大江大河上的水力發電站。當雨滴落在上面時，就能夠帶動下面的轉子轉動，將動能轉換為電能，供人們利用。
本項目得到國家納米重點研發計劃、國家自然科學基金、博士后創新人才計劃和博士后基金資助。
論文作者：李會增，方維，李亞楠，楊強，李明珠，李群仰，馮西橋（通訊），宋延林（通訊）作者單位：中國科學院化學研究所
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