说到蒸汽机，你会想到什么？
是那些传得神乎其神的“瓦特看到水开了就发明蒸汽机”的励志故事？（实际上瓦特并非“发明者”，而是对蒸汽机进行重大改良）
还是先前马斯克有关“油车像蒸汽机不值钱”的争议言论？（他总是喜欢随便说说）
不过今天，大院er想暂时搁下这些“过去的事”，说说中国科学家在蒸汽机上的最新发明创造——用小水滴造一个“液滴蒸汽机”，然后有可能给微型机械设备提供动力。
从炒菜说起，认识莱顿弗罗斯特效应还有神奇的气膜先看看“液滴蒸汽机”是什么原理。
炒菜是许多人的日常（大概）。有时，当我们把水加到热锅里后，水滴不但不会快速消失，反而会在锅底快速移动，而且整个过程能持续数分钟。
如果我们仔细观察，会在水滴的底部发现一层明亮的气膜，这层微米级的气体薄膜使水滴与锅底分离，从而大幅提高了液滴的存在时间，这就是著名的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应。
炽热铁锅上的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应 图片来源：wikipedia
有经验的厨师经常根据这个现象来判断锅里的温度。预热锅时，在锅里加上几滴水，如果水滴呈现莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）态，那锅里的温度已经接近200℃。在这个时候煎鸡蛋的话，鸡蛋不但不会糊，还不会粘锅。
铁锅煎鸡蛋 图片来源：pixabay
再举个例子：2014年，“冰桶挑战”风靡一时，人们把一桶桶冰水迎头浇下，来唤起社会对“渐冻人症”的关注。与多数人不同的是，有个来自“战斗民族”的科学家将冰水换成了-195℃的液氮，在这个温度下，坚硬的钢铁也会变得像玻璃一样易碎。
然而，在被液氮浇头后，科学家却毫发无损，甚至连一点冻伤都没有。这其实也是因为莱顿弗罗斯特效应——极度冰冷的液氮在接触到他的头部后发生汽化，蒸汽在液氮和头之间形成了蒸汽膜，阻碍了头上热量的流失。
在隔热的同时，这层将液滴与固体表面隔开的气膜还能大幅降低摩擦阻力。科学家将高温的金属放在水中移动，他们发现金属周围的液体迅速汽化并形成莱顿弗罗斯特气膜，这个气膜可以将金属移动的阻力降低80 %以上。
液氮冰桶挑战 图片来源：youtube视频截图
此外，液滴与固体间的莱顿弗罗斯特气膜还是蒸汽流出的通道。蒸汽从狭窄的气膜中流出时，会产生沿着流动方向的粘性力。正常情况下，这些蒸汽朝四面八方均匀流出，产生的粘性力被相互抵消。但是如果将平整的表面换成不对称的表面，有趣的事情就发生了。
利用气膜，让液滴定向动起来
莱顿弗罗斯特液滴在棘轮表面定向移动 图片来源：imgur.com
如上面的动图所示，放在高温的棘轮表面时，液滴会朝着棘轮开口较大的一侧定向移动。即使是倾斜的表面，液滴也能轻松爬上。
这是因为，液滴放在这种表面时，底部气膜发生了弯曲变形。如下图所示，1处的气膜薄，压强较大，而2处的气膜厚，压强较小。蒸汽会从压强较大的地方流向压强较小的地方，即从1流向2处，从而产生了朝向棘轮开口较大处的驱动力。对于直径1厘米大小的液滴，这个驱动力能达到数微牛，足以克服沿斜面爬升时的阻力。
莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴下方弯曲的气膜 图片来源：Physical review letters, 2006, 96(15): 154502.
这种定向移动液滴的方法具有很多的潜在应用。例如，芯片的损坏往往是因为内部产生的热量无法及时排出，大量的热逐渐累积，导致芯片发生热失效。利用这种液滴定向移动策略，再加上特殊的表面处理工艺，就可以使液滴定向移动到芯片表面沸腾，及时带走芯片产生的热量。
而且，在不同区域设计不同朝向的棘轮结构，还能够随意控制液滴的移动方向、对液滴进行捕获等，这在微流控中具有重要意义。然而，目前这些方法大多只能实现液滴移动等简单的行为。
画一些图案，让莱顿弗罗斯特液滴给大家来点难的如何“高难度”地控制莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴呢？中国科学院化学研究所的研究者发现，将超疏水表面和超亲水表面进行图案化结合，就可以让莱顿弗罗斯特液滴自发旋转。
如视频1所示，他们在超疏水表面设计了一个“Z”字形的超亲水区域。加热这个超疏水表面时，液滴就能够像“陀螺”一样快速转动，而且转速越来越快。由于离心力和表面张力的作用，液滴逐渐从球形变成了橄榄球形。测量发现，一个80微升的液滴能够在这种表面上旋转一分钟以上，转速最快可达20圈/秒以上。
视频1 视频来源：作者
随后他们从底部观察液滴，对莱顿弗罗斯特液滴转动的原因进行了分析。观察依据的原理是这样的：发生莱顿弗罗斯特效应时，液滴会与基底分离，因此在底部视图中，这些区域呈现白色。而没有发生莱顿弗罗斯特效应的区域则为深灰色。
他们发现，这种表面上的液滴，超亲水区域一直呈现深灰色，而超疏水区域的变化则分为三个阶段（视频2）。
在第一个阶段时，超疏水区域产生气泡，随后气泡逐渐长大合并，形成不连续的气膜；在第二个阶段，超疏水区域的气泡完全合并，形成了完整的气膜；在第三个阶段时，气膜由原来的圆形变成了椭圆形，并且还能观察到两股蒸汽从“Z”字形的拐角处流出，蒸汽流的大小基本相同。
因此，他们推断，液滴下方的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）气膜被超亲水区域从中间“裁剪”成了两个不相连的部分，蒸汽从超亲水的区域产生后只能沿着超疏水区域的气膜流出，形成了两股蒸汽流，蒸汽流产生的粘性力形成了扭矩，驱动了液滴高速转动。
视频2 视频来源：作者
利用这个发现就可以随心所欲地裁减蒸汽膜，从而实现液滴的不同行为。如下图所示，使用一个直角的超亲水图案，就可以产生单股的蒸汽流，将液滴朝直角的内侧拉动。一条线段则可以将气膜裁剪成对称的两部分，使液滴对称拉长。而不对称的角能够产生两股大小不相等的蒸汽流，使液滴绕着图案转动。
不同浸润性图案切割气膜 图片来源：作者
液滴蒸汽机，给小小的设备提供动力裁剪液滴下方的气膜能做什么？研究者展示了利用旋转液滴制成的直径1厘米的微型蒸汽机。
与传统蒸汽机不同，这个“液滴蒸汽机”结构简单，无需复杂的机械装置就能够将往复运动转化为旋转运动。直接将齿轮放在旋转液滴上，就能通过液滴的转动直接带动齿轮高速旋转，而且加入一个液滴就能使“液滴蒸汽机”稳定工作40秒以上（视频3）。这个小型的蒸汽机有可能为微型机械设备提供动力。
视频3 视频来源：作者
旋转的液滴像陀螺一样，具有很好的稳定性，因此能够平稳地输出旋转动能。如视频4，不需要任何支撑部件，旋转的液滴就可以直接驱动三叶旋翼高速旋转一分钟以上。除了这些应用，剪裁莱顿弗罗斯特气膜还能够驱动转轴转动、定向驱动液滴等。
视频4 视频来源：作者
这个研究首次提出了“分割莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应”，实现了高温液滴的有效控制，在蒸汽能量利用方面具有广阔应用前景。你觉得这个“液滴蒸汽机”还能用在什么地方呢？欢迎评论留言，说说你的奇思妙想~
本项目得到国家重点研发计划和国家自然科学基金基础科学中心项目（基金号 11988102）的支持。
作者：李安，李会增，宋延林
作者单位：中国科学院化学研究所
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