王钻开与液滴发电机——城大机械工程的仿生表面与《自然》封面研究

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一句话结论: 香港城市大学机械工程系讲席教授王钻开(Zuankai Wang)以仿生超疏水表面研究为根基,2020年2月^※在《自然》发表液滴发电机(DEG)成果——单滴100微升水从15厘米高处落下即产生逾140伏电压、瞬时功率密度达50.1 W/m²^※(比前代设备高数千倍),可同时点亮100只小型LED灯;团队的超疏水「煎饼弹跳」研究还以最短液固接触时间获吉尼斯世界纪录^※认证(2018年2月)。

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# 王钻开是谁?他在城大做什么研究?

王钻开现为香港城市大学机械工程学系讲席教授(Chair Professor)、仿生工程研究中心联合主任。据城大教职员简介^※,他先后于吉林大学取得本科学位(机械工程)、中国科学院上海微系统与信息技术研究所取得硕士学位,后赴美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)攻读博士(机械工程,2008年),并在哥伦比亚大学完成博士后研究(生物医学工程,2009年)。2022年11月,他转任香港理工大学研究及创新事务副校长及讲席教授,但其城大时期的系列成果已成该校机械工程最具国际影响力的科研线之一。

王钻开的核心研究问题可以用三个追问概括:固液接触的物理时间极限是多少?液体能否自主选择扩散方向?如何实现莱顿弗罗斯特效应的彻底抑制?这三个看似基础的物理问题,分别对应防冰覆膜、微流控芯片与航空/核能冷却等截然不同的应用场景,是他将「仿生表面学」推向工程实用的核心逻辑。据实验室官方页面^※,团队在城大期间发表论文逾200篇,在《自然》《科学》系列期刊上发表超过18篇论文。

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# 「煎饼弹跳」与吉尼斯纪录:最短液固接触时间

要理解王钻开的液滴发电突破,需先了解他在城大建立学术声誉的基础工作——超疏水表面上的液滴弹跳动力学。

2014年^※,团队在《自然·物理》(Nature Physics)发表「超疏水表面上的煎饼弹跳(Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces)」。研究发现,在由亚毫米级圆柱阵列装饰纳米纹理构成的超疏水表面上,撞击的液滴不走「铺展—收缩—弹起」的经典路径,而是在扩展阶段就以扁平的「煎饼」形态整体弹离——接触时间仅约3.4毫秒,比传统设计缩短约四分之三。这一发现颠覆了关于液滴弹跳接触时间存在理论下限的经典认知。

2018年2月^※,该团队关于「最防水表面」(最短液固接触时间)的发明正式被收录进吉尼斯世界纪录。这是城大机械工程研究迄今取得的极少数吉尼斯认证之一,也令「超疏水表面」的概念从学术圈进入公众视野。该研究的物理意义在于:减少液固接触时间意味着减少液体在表面滞留、传热,对防结冰、减摩损、防腐蚀等工业场景均有直接价值。

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# 液滴发电机(DEG):一滴水为何能点亮100个LED?

# 问题是什么?

在王钻开团队的液滴发电研究之前,利用雨水或海浪等自然水动能发电的「摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)」已有大量研究,但存在一个关键瓶颈:由于传统设计依赖界面效应产生和释放电荷,电荷密度始终偏低,峰值功率密度不足1 W/m²^※——远达不到实用化所需的水平。

# 「场效应晶体管式」结构如何破局?

2020年2月5日^※,王钻开团队与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授(Xiao Cheng Zeng)、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士合作,在《自然》(Nature, Vol. 578, No. 7795, pp. 392–396, DOI: 10.1038/s41586-020-1985-6)发表题为「A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density」的论文,提出了一种仿场效应晶体管(FET)结构的液滴发电机。

装置的核心构成:以铟锡氧化物(ITO)为衬底、上覆聚四氟乙烯(PTFE,即特氟龙)薄膜,加配一个铝电极。PTFE属于「永久驻极体(electret)」材料,能长期保留表面电荷。关键创新在于:水滴持续撞击PTFE表面时,电荷不断积累直至饱和;当液滴铺展到足够宽度时,自然「桥接」本来断开的ITO与铝两个电极,形成闭合回路,储存的全部电荷瞬间释放——将原本局限于表面界面的效应转变为体相效应,从根本上突破了电荷密度的瓶颈。

# 关键数字是多少?

下表汇总液滴发电机的核心性能指标(均出自城大官方新闻稿及原始论文):

城大官方新闻稿^※引述王钻开的研究愿景:「一滴雨水可以点亮100只小型LED灯。」这一演示由实验室视频公开记录,成为该研究在全球50余家媒体传播的标志性画面。

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# 为什么说这是「仿生」研究,与自然界有何关联?

液滴发电机的技术路径与仿生逻辑密切相连,而非凭空突破。

王钻开团队长期以自然界中的超疏水结构为设计灵感:荷叶表面的微纳米乳突结构(使水珠滚落而不沾附)、仙人掌针刺的梯度锥形结构(引导水雾定向汇聚)、猪笼草口缘的润滑表面(使液滴单向滑落)——这些都是王钻开团队研究的原型。液滴发电机之所以能高效积累电荷,正是因为PTFE超疏水特性确保水滴以特定方式铺展和弹离,使每次撞击的电荷积累效率最大化。据2022年11月团队综述^※,王钻开在《纳米研究能源》(Nano Research Energy)发表题为「Bio-inspired water-driven electricity generators: from fundamental mechanisms to practical applications」的综述,系统梳理了从生物原型到发电器件的全链条,覆盖雨驱动、蒸发驱动、波浪驱动等多种形式。

此外,超疏水表面的「液固接触时间控制」与液滴发电实为同一知识体系的两面:前者追求液滴尽快离开表面(防冰/防腐场景),后者则需要精准控制液滴铺展速度以最大化电荷释放——对液固界面动力学的深刻理解是两者共同的知识基础。

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# 《自然》之后:第二篇——莱顿弗罗斯特效应的266年难题

液滴发电机并非王钻开在城大期间唯一的《自然》正刊成果。2022年1月27日^※,团队再次在《自然》发表「Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling」(Nature 601, 568–572, 2022),解决了自1756年延续266年的莱顿弗罗斯特效应难题。

莱顿弗罗斯特效应是指:液体接触极热表面时,瞬间蒸发形成的气层将液体「托起」,使液体悬浮于热表面上方,导致换热效率急剧下降。这一现象严重制约了航空发动机与核反应堆的热管理。王钻开团队设计的「结构热铠甲(Structured Thermal Armor,STA)」:以导热柱作为热桥、嵌入超亲水膜吸收液体、U形微通道排出蒸汽——三层结构协同将莱顿弗罗斯特临界点从约550°C提升至1,150°C^※,即比此前记录高出600°C,同时水滴在表面的存活时间从对比样品缩短约50倍至仅0.33秒。

这一成果与液滴发电机同属「仿生表面主动调控液固界面」的研究脉络——只是前者追求电荷转化效率,后者追求热量传导效率;二者共同展示城大机械工程在微纳界面科学领域的深度积累。

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# 实际应用潜力:从雨伞到海浪能

# 近期可行的应用场景

液滴发电机的应用场景因其「固液接触即发电」的原理而极为广泛。城大官方新闻稿^※列举了若干候选方向:

研究者在访谈中坦承,当前原型机的整体能量转换效率约为5%,与大型水力发电相距甚远;但对于分布式、小规模能量采集(如为低功耗传感器供电),50.1 W/m²的峰值瞬时功率密度已具现实意义。王钻开将未来愿景扩展至「采集心脏跳动的机械运动产生的能量」——这指向了可穿戴/植入式医疗器件的长期方向。

# 规模化挑战

任何基于液固摩擦的发电设备都面临材料耐久性与集成成本的挑战。2025年发表于《自然·通讯》的后续研究^※表明,研究者已开始探索将DEG阵列与微型超级电容器集成,以提升大规模部署时的能量存储与输出稳定性——这是从实验室到应用必须跨越的工程化阶段。

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# 王钻开的主要学术荣誉(城大任职期间)

下表汇总王钻开在香港城市大学期间获得的主要荣誉(来源:实验室官方页面^※及城大官方公告^※):

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# 研究脉络总结:仿生→超疏水→能量采集

将上述成果串起来,可见清晰的知识积累路径:

1. 超疏水微纳结构(2010年代初):以荷叶等生物结构为原型,研究超疏水表面上液滴的铺展、弹跳与导向控制。
2. 煎饼弹跳与吉尼斯纪录(2014/2018):发现液滴可以最短接触时间(约3.4 ms)以「煎饼」形态弹离表面,颠覆经典接触时间下限理论,获国际官方认证。
3. 液滴定向输运(2016/2017):拓扑液体二极管与Janus液滴定向传输研究,实现液体在无外力驱动下自主选择扩散方向——发表于《自然·物理》与《科学进展》。
4. 液滴发电机(2020):将超疏水表面的液滴动力学知识转化为能量采集,以FET式结构突破TENG功率密度极限,发表《自然》封面论文。
5. 莱顿弗罗斯特效应突破(2022):结构热铠甲将防御液固界面问题推向超高温场景,再发《自然》正刊。
6. 综合综述与应用拓展(2022–):Nano Research Energy综述统领整条研究线,后续团队持续开展DEG规模化与医疗应用探索。

来源口径说明:瞬时功率密度「50.1 W/m²」与「比前代高数千倍」均为原始论文(Nature 578:392–396,2020)所报告的实验室条件下峰值数据。现实中采集效率受液滴频率、表面面积、集成方式等影响,实用功率仍处研发阶段(效率约5%)。引用具体数字时,请回溯原始论文核查测试条件。

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