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落地的水滴跳起芭蕾舞 一滴水也能發電

作者: 發布日期:2019-03-29 09:40

    落地的水滴沒有飛濺,而是跳起了芭蕾舞

  對于很多人來說,下雨是一件很煩人的事。雨天只能躲在家里,望著水滴四處飛濺。但水滴落在地上只能飛濺嗎?能不能用來做點有意思的事?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、李群仰等研究人員合作,發現下落的水滴撞擊到特殊平面后,能夠以超過每分鐘7300轉的速度高速旋轉,在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。相關研究成果發表在《自然·通訊》雜志上,并分別被《自然》和《科學》雜志選為研究亮點進行報道。

  這次碰撞不像牛頓說的那樣

  早在三百多年前,英國科學家艾薩克·牛頓坐在蘋果樹下思考,被落下的蘋果砸中了腦袋,這使他靈光一閃,悟出了萬有引力定律這個世界上最偉大的法則之一。

雖然這個故事的真實性有待考證,但我們可以很確切地知道,落在牛頓頭上的蘋果要么靜止在頭上,要么會從頭上滾落或彈走。這些碰撞行為,牛頓也對其進行了總結,并提出了著名的“牛頓碰撞定律”。

  牛頓碰撞定律認為,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。實際的碰撞過程,恢復系數大部分介于0和1之間。

  在該定律的指導下,人們對固體之間的碰撞規律有了更深入的認識。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。

  液滴撞擊固體表面是生活中的常見現象,比如下雨、噴灑農藥等等。通常認為,水滴碰撞到固體表面后的行為也符合“牛頓碰撞定律”,即水滴要么沉積在表面,要么從表面線性回彈。

  而這次,研究人員利用圖案化的特殊功能表面對液滴碰撞行為進行精確調控,首次實現了液滴碰撞后的高速旋轉運動,水滴的運動形態由碰撞之前的平動變為了碰撞之后的轉動,突破了經典“牛頓碰撞定律”的研究范疇,開辟了液滴撞擊研究的新視野。

  未來,一滴水也能發電

  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,操控這種行為十分困難。

  該研究采用的圖案化表面,不同區域對液體具有差異化的粘附力。當液滴撞擊到表面后首先鋪展成為圓形液膜。在不對稱粘附力的作用下,液膜發生各向異性回縮行為。非向心的粘附力形成力矩,且作用效果隨著液膜的回縮逐漸累積,最終形成角動量。該過程中,液滴由碰撞前的平動變為了碰撞后的轉動,轉變為全新的運動形態。

  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。研究表明,表面粘附力圖案的對稱性對液滴碰撞行為起著關鍵作用。通過改變圖案的旋轉對稱性/鏡面對稱性,可以使液滴碰撞后產生旋轉、翻滾、豎直回彈等多種行為。“我們系統研究了液滴碰撞及回彈過程,通過調節基底浸潤性圖案的旋轉對稱性或鏡面對稱性,提出了液滴碰撞控制的普適性規律,實現了多種復雜液滴回彈行為控制。”宋延林說道。

  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。

  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。當4.8毫克的液滴碰撞到94毫克的基底后,能驅動基底以超過50°每秒的角速度轉動。該研究在水力能量收集與利用、水上漂浮物驅動、高效降溫等方面具有廣泛的應用前景。

  宋延林表示,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。

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來源:科技日報 編輯:李楠
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