對(duì)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(diǎn)有意思的事?近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林課題組與清華大學(xué)馮西橋、李群仰等研究人員合作，發(fā)現(xiàn)下落的水滴撞擊到特殊平面后，能夠以超過每分鐘7300轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，在空中跳起了“水滴芭蕾舞”。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》雜志上，并分別被《自然》和《科學(xué)》雜志選為研究亮點(diǎn)進(jìn)行報(bào)道。

這次碰撞不像牛頓說的那樣

早在三百多年前，英國(guó)科學(xué)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(wàn)有引力定律這個(gè)世界上最偉大的法則之一。

雖然這個(gè)故事的真實(shí)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(huì)從頭上滾落或彈走。這些碰撞行為，牛頓也對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)，并提出了著名的“牛頓碰撞定律”。

牛頓碰撞定律認(rèn)為，兩個(gè)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(fù)系數(shù)。對(duì)于完全彈性碰撞來說，恢復(fù)系數(shù)為1，但這種情況只會(huì)出現(xiàn)在理想情況中;對(duì)于完全非彈性碰撞來說，恢復(fù)系數(shù)為0。實(shí)際的碰撞過程，恢復(fù)系數(shù)大部分介于0和1之間。

在該定律的指導(dǎo)下，人們對(duì)固體之間的碰撞規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)。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(yùn)動(dòng)形態(tài)。

液滴撞擊固體表面是生活中的常見現(xiàn)象，比如下雨、噴灑農(nóng)藥等等。通常認(rèn)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(duì)液滴碰撞行為進(jìn)行精確調(diào)控，首次實(shí)現(xiàn)了液滴碰撞后的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水滴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)由碰撞之前的平動(dòng)變?yōu)榱伺鲎仓蟮霓D(zhuǎn)動(dòng)，突破了經(jīng)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(fā)電

水滴落到固體表面后的動(dòng)態(tài)行為一般在幾毫秒到十幾毫秒的時(shí)間內(nèi)完成。水滴撞擊表面后的結(jié)果(水滴彈回或飛濺)取決于固體表面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。但是，由于水滴具有可變形性，且撞擊水滴與固體發(fā)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(qū)域?qū)σ后w具有差異化的粘附力。當(dāng)液滴撞擊到表面后首先鋪展成為圓形液膜。在不對(duì)稱粘附力的作用下，液膜發(fā)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(dòng)量。該過程中，液滴由碰撞前的平動(dòng)變?yōu)榱伺鲎埠蟮霓D(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌倪\(yùn)動(dòng)形態(tài)。

研究人員借助同步高速成像系統(tǒng)，對(duì)這一行為進(jìn)行了詳細(xì)的記錄與分析。研究表明，表面粘附力圖案的對(duì)稱性對(duì)液滴碰撞行為起著關(guān)鍵作用。通過改變圖案的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性/鏡面對(duì)稱性，可以使液滴碰撞后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、翻滾、豎直回彈等多種行為。“我們系統(tǒng)研究了液滴碰撞及回彈過程，通過調(diào)節(jié)基底浸潤(rùn)性圖案的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性或鏡面對(duì)稱性，提出了液滴碰撞控制的普適性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜液滴回彈行為控制。”宋延林說道。

液滴碰撞后產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液體平動(dòng)能向轉(zhuǎn)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。這與水力發(fā)電過程中，水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能進(jìn)而產(chǎn)生電能類似，液滴碰撞過程中液滴的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)液滴進(jìn)行物體驅(qū)動(dòng)的新型液滴驅(qū)動(dòng)器，將圖案化浸潤(rùn)性的基底漂浮在磁懸浮系統(tǒng)中，水滴落在表面后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)4.8毫克的液滴碰撞到94毫克的基底后，能驅(qū)動(dòng)基底以超過50°每秒的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。該研究在水力能量收集與利用、水上漂浮物驅(qū)動(dòng)、高效降溫等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

宋延林表示，這項(xiàng)研究為液體動(dòng)能的利用(如水利發(fā)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(fā)電裝置，而不必局限于大江大河上的水力發(fā)電站。當(dāng)雨滴落在上面時(shí)，就能夠帶動(dòng)下面的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，供人們利用。