李安：中国智造给微观世界提供动力的液滴蒸汽机_新浪财经

专题：2023年CC讲坛

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第57期演讲2023年12月16日在北京举行。来自中国科学院化学研究所博士后李安出席，并以《中国智造给微观世界提供动力的液滴蒸汽机》为题发表演讲。

　　提到蒸汽机，大家会想到什么？是不是想到了瓦特，还有冒着滚滚浓烟的蒸汽机车，再或者是第一次工业革命。蒸汽机的出现，推动了我们现在社会的发展，为我们现在打下了基础。我们都知道蒸汽机是利用蒸汽膨胀产生的正压来驱动机械的，但是实际上还存在着另外一种蒸汽机，它是利用蒸汽冷凝来做工的。但是不管怎样，这些各式各样的蒸汽机大多都体积庞大，工作时发出滚滚的浓烟，而且还要伴随着巨大的声响。随后内燃机和电动机它们陆续诞生了，它们工作效率比较高，而且工作的时候噪声也比较小。因此蒸汽机虽然有很多的优点，但还是逐渐淡出了我们的视野。

　　但是在一些特殊的场合下，比如说电动机很难在温度超过100摄氏度的环境中工作。因为高温会让磁铁消磁，而且环境的湿度也需要严格控制，因为电气绝缘也是电动机稳定工作的前提条件之一。而对于内燃机来说，首先它需要氧气进行助燃，其次它还需要良好的通风，还有散热来帮助它内部产生的废汽及时排出。那么在高温缺氧潮湿的环境中，电动机和内燃机都没有办法很好的工作，而蒸汽机则没有这些问题，它可以在这些恶劣的环境中稳定的提供动力。

　　但是在现在的机械，比如说我们驱动无人机或者微潜航器，它们往往要求动力装置的体积尽可能的小，那么显然传统蒸汽机这种庞大的体积是没有办法满足要求的，那么我们能不能把蒸汽机也做得小一些想法，肯定是在无数人的脑海里思考过很多次的。那么蒸汽机的本质其实就是烧开水，我们生活中也有很多需要烧水的地方，比如说做饭。经常做饭的人可能就会发现，有的时候我们把水滴滴在锅里的时候，它不仅不会迅速的消失，反而小液滴会在锅底快速的游走，而且这个快速游走的小液滴，有的时候能够稳定存在一两分钟以上，有经验的厨师就会利用这个现象。他们在预热锅的时候，锅里滴上几滴水，如果水滴出现了上述现象，那么这时候再用来煎鸡蛋，即使一滴油也不加，那么鸡蛋在锅里它既不会糊，也不会粘锅。

　　那么这是为什么？我们就用一个高速相机对烧开水的过程进行了观察，这个相机可以在一秒钟拍摄几万张的照片，因此它可以几十几百倍的放慢这一个瞬间的过程。我们发现当把水滴滴在80摄氏度的锅里时，它的挥发速度非常慢，在短时间内我们几乎看不到任何的变化。而如果把水滴在170摄氏度的锅底的时候，它的温度会迅速升高到沸点，然后开始剧烈的沸腾。但是如果我们进一步增加温度，我们发现这个情况会大不相同？我们把水滴滴在250摄氏度的锅里的时候，它不仅没有更加剧烈的沸腾，反而会像皮球一样从这个固体的表面弹了起来。

　　那么如果我们从底部对液滴进行观察，我们就会发现当水滴滴在170摄氏度的表面的时候，它红色的轮廓线内会同时存在很多灰色和白色的区域，灰色区域表示液滴跟基底发生了接触，而白色的区域则说明它们中间存在气体，将液滴与基底分隔开了。但是我们如果把水滴滴在250摄氏度的表面的时候，我们能够看到红色的轮廓线内，它完全呈现白色，也就是说液滴它看起来好像撞到了固体的表面。但是竟然完全没有接触，而是一直悬浮在一个气体上方，这其实是因为液滴落在高温的表面的时候，会发生沸腾会发生汽化，那么产生的气体会从液滴底部流走。如果锅里的温度过高，那么产生的气体的速度非常快，它来不及及时地从液滴底部排走，因此就会在液滴跟固体中间堆积起来，使液滴悬浮。

　　那么这种液滴悬浮的现象，最早由德国的物理学家Leidenfrost发现，因此被称为light force的效应。更有意思的是Leidenfrost的液滴下方流动的气体还会产生一个驱动力。当我们把液滴放在这种凹凸不平的棘轮结构表面的时候，它会朝向棘轮开口的方向移动，而且这个现象不是随机的，即使我们给它一个反方向的初速度，它仍然能够在速度减小为0之后，朝着开口的方向移动。这是因为液滴放在这种表面之后，它底部会发生凹凸变形，然后产生一些低压和高压的区域，气体产生以后，就会从高压的地方流向低压的地方，进而就产生了一个同向的粘性力。这个力就驱使液滴定向移动。这种定向移动液滴的策略还有很多有意思的应用。比如说我们知道芯片的热失效，往往是由于内部产生的热量没有办法及时带走。那么我们用这种液滴定向移动的策略，再配合上特殊的表面处理工艺，就有可能把液滴定向的移动到芯片的表面，然后使它沸腾，及时把芯片内部产生的热量带走。

　　那么我们突然间有了一个想法，这个力它居然能够驱动液滴定向移动，那么我们能不能用它来驱动液滴旋转呢？这样的话我们就有可能做出来一个液滴大小的蒸汽机。那么我们知道运动可以有两种，一种是直线运动，另一种是旋转运动。那么我们怎么样利用液滴定向移动的直线的力，使它产生一个驱动液滴旋转的扭距？可能有人会说我们利用前边的棘轮结构的表面，我们把它围成一个圈是不是就行了？那么事实上我们尝试了一下，我们把液滴放在这样的表面上之后，它确实有转动起来的趋势，但是却很容易就飞了出去。分析以后我们认为是液滴放在这种表面之后，底部各个部分的受力很难平衡，因此液滴还没来得及旋转就飞走了。那么也就是说我们如果想让液滴稳定的旋转，最好要在液滴下边有一个力。这个力像一个手一样抓住液滴。

　　那么如何产生这个力？其实这个答案仍然在炒菜中。我偶然间发现当我们使用铁锅来炒菜的时候，很难观察到Leidenfrost效应，但是如果使用不粘锅的时候，即使不需要加热太长的时间，也能观察到水滴在锅里快速的游动。分析以后，我们认为这是因为这两种锅的表面能不一样，表现出来的结果就是对水的接触角不同。铁锅对水的接触角一般在60度左右，这种表面我们称为亲水表面，而不粘锅对水的接触角在110度左右，这种表面我们称为疏水表面。如果我们对疏水表面进行粗糙化以后，还可以进一步增大接触角，使它达到150度以上。这种表面就是超疏水表面，最典型的超疏水表面就是荷叶。当雨水落在荷叶上以后，会呈现球形一样的状态，而且它非常容易滑动。液滴在这些不同的表面上出现Leidenfrost效应的温度是有非常大的差异的。比如把两个高温的铜球放在水中时，铜球会让周围的水发生汽化，但是左边的铜球它有一个亲水的表面，而右边的铜球则是一个超疏水的表面。我们发现刚开始的时候两个铜球气化都非常的缓慢，这说明它们两个都发生了Leidenfrost效应。但突然间左边的亲水的铜球，它表面在短时间内产生了大量的气泡，发生了剧烈沸腾。这说明随着温度的降低，它的Leidenfrost效应发生了失效，而右边的超疏水铜球从头到尾都一直是非常缓和的沸腾。因此我们就得到一个结论，就是亲水表面出现Leidenfrost效应的温度好像要高于超疏水表面。事实上我们总结之后发现，亲水表面要想出现Leidenfrost效应，它这个温度往往要在220摄氏度以上，而疏水表面可以把温度降到180摄氏度，但是如果使用超疏水表面的话，这个温度甚至能够降低到120摄氏度。

　　那么既然亲水表面和超疏水表面，它们Leidenfrost的效应温度有这么大的差异，我们能不能把它们两个给结合起来，做成一种图案化浸润性表面？这样我们把温度调在120摄氏度和220摄氏度之间的时候，亲水的地方就会与液滴发生接触，呈现出普通的沸腾，而超疏水的区域则会呈现Leidenfrost效应。这样的话我们既有了Leidenfrost效应的驱动力，还在下边构筑的一个力能够抓住液体。首先我们就尝试了把亲水的区域做成最简单的直线，我们发现这种表面确实可以抓住液滴，但是却没有办法让液滴旋转起来。那么随后我们又尝试了各种各样的表面，比如说直线角，我们发现液滴在这些表面都没有办法稳定的旋转。那么总结以后我们认为要想让液滴稳定的旋转，不仅需要有一个力抓住它，还需要在液滴底部有一个稳定的扭距。这就意味着还要在下边产生两个大小相等，方向相反，还有作用点不同的两个作用力。那么根据这个原理，我们就重新设计的图案，然后进行了这个实验，我们把两个液滴放在两个不同的表面上，然后对这个机体进行加热。

　　我们能看到从头到尾左边的小液滴一直都是轻微的晃动，而右边的液滴突然间开始出现了高速旋转的现象，放慢以后我们能够看到由于离心力的作用，这个液滴从最开始的球形被拉长成了一个椭球形，而且它转得非常快，最快能够在一秒钟之内旋转20多圈，而且一个小液滴就可以在这种表面上稳定的旋转一分钟以上。那么我们是如何实现稳定旋转小液滴呢？其实我们就是把亲水的区域给它设计成了这种z字形的图案。如果我们从底部对液滴进行观察，就会发现清水的地方，它从头到尾一直都呈现灰色。而超疏水的区域则首先产生气泡，随后气泡发生了融合，形成了一个完整的气膜。

　　那么正如我们前面提到的，这就说明亲水的区域从头到尾液滴都与基底发生了接触，产生了一个抓住液滴的力，而超疏水的区域，呈现了Leidenfrost效应。更有意思的是这个z字形的亲水图案可以把液滴底部产生的气流分成两股，那么这两股气流分别从 z字形的两个角流出，于是它们两个就产生了两个大小相等，方向相反，而且作用点不同的驱动力，这两个力组合形成了扭矩，驱动液滴高速旋转。那么也就是说我们亲水图案、疏水图案还有液滴一起组成了一个很高效的系统。亲水的地方抓住液滴，并且沸腾产生蒸汽。产生的蒸汽从超疏水的区域流出，它们共同作用，为液滴高速的旋转提供了持续的动力。而且我们小液滴它还旋转得非常稳定，我们把一个三个叶片的旋翼放在这个小液滴上，然后对基底进行加热。我们能够看到液滴的转动就带动旋翼转动。旋翼开始缓慢的旋转了起来，随后它的转速越来越快，直至到最后我们用肉眼几乎已经分辨不清旋翼的叶片，而且一个小液滴就可以让旋翼稳定的旋转50多秒。

　　我们可以发现除了最后液滴快烧干的时候，从头到尾这个旋翼都没有发生大幅度的晃动。那么利用高速旋转的小小液滴，我们就可以做出一个液滴蒸汽机，我们液滴蒸汽机结构非常的简单，它只有一个框架，还有一个用来输出动能的齿轮组成。当我们把小液体蒸汽机放在一个高温的表面的时候，在里边加上一滴水，水滴的转动就能够带动齿轮转动，然后让小液滴蒸汽机工作起来。而且一个小液滴就可以让液滴蒸汽机工作40多秒。我们都知道经典的蒸汽机它是利用蒸汽的膨胀来做工的，这就需要有一些复杂的机械装置来把这种活塞的往复运动转化成飞轮的旋转运动。而我们液滴蒸汽机中间的小液滴，它输出的直接就是旋转，因此它不需要很多的机械转化装置，非常的便于小型化。我们展示的液滴蒸汽机它的直径只有一个厘米，而且它还有可能做得更小。

　　那么驱动我们液滴蒸汽机工作的是100多摄氏度的高温表面的温度，正好与太空中太阳直射的表面温度相匹配。那么也就是说或许我们可以在太空中直接利用太阳照射就来驱动机械，而不像现在传统的方法，我们需要先用太阳能电池将太阳能转化成电能，然后再用电动机将电能转化成机械能。

　　我们期待有一天我们小液体蒸汽机能够在外太空外星球等一些恶劣的环境中发挥出作用。我们的蒸汽机它继承了传统蒸汽机的很多优点，可以在高温缺氧等一些恶劣的环境中稳定的提供动力。而且它的重量很轻，体积也很小。这就避免了太空旅行时负重的问题。但是不可否认的是我们现在小液体蒸汽机，它还只是一个简单的雏形，它的能量利用率还有输出的扭距都还有不小的提升空间。那么与此同时，我们还在尝试用不同的液体来作为工作介质，对液滴蒸汽机的输出性能进行优化。

　　液滴是我们生活中最常见的物质，控制液滴行为至关重要。我们展示的液滴蒸汽机是旋转小液滴一个非常优雅的展示。目前研究人员已经实现了各种各样的液滴行为控制它们在高温物体冷却，防止表面结冰，还有提高燃料的燃烧效率等方面都发挥着非常重要的作用。

　　我们时常感叹瓦特发明的蒸汽机只是一个简单的技术改进，却让人类进入了蒸汽时代。它的意义仅是科技史上的一次革命，更是人类文明的新篇章。“人类无法摆脱花式烧开水”，这句话生动的总结了人类文明与能源利用之间密不可分的关系。我们还将在能源利用和转化的领域不断的努力和探索，也期待大家能够提出更多有意思的发明。谢谢大家！