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

香港城市大学(CityUHK)综合信息数据库 · 04 科研模块 · 材料学深挖系列 总览与其他标志性突破见 materials-and-engineering-research.md；与化学系张华的相工程纳米材料同属城大材料/工程标志性人物条线，一走仿生表面、一走纳米晶相。

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协理副校长（研究及创新）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；他本人2009年9月加入城大、2021年7月晋升讲席教授^※，其间还联合主任仿生工程研究中心。

值得强调的是，王钻开在城大任内并非只发表过液滴发电与莱顿弗罗斯特两篇《自然》正刊论文——2021年9月17日^※，团队还在《科学》(Science)正刊发表了第三篇顶刊工作，解决了自1804年悬而未决、跨度217年的液体导向难题（详见下节）。三篇顶刊论文横跨2020至2022年，是他在城大后期学术产出最密集的阶段。

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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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# 定向输运三部曲：从Janus液滴到毛细棘轮，217年难题怎么解

一句话结论： 液滴发电机能高效积累电荷，前提是团队早在2016年起就掌握了「让液体自主选择扩散方向」的技术——这条贯穿近十年的研究线在2021年结出了王钻开城大任内第三篇《自然》/《科学》正刊论文。

# 第一步：高温Janus液滴的定向输运(2016)

发表于《自然·物理》(Nature Physics)的论文「Directional transport of high-temperature Janus droplet mediated by structural topography」^※由Jing Li、Youmin Hou、Yahua Liu、Chonglei Hao、Minfei Li、Manoj Chaudhury、Shuhuai Yao与王钻开合作完成。研究发现：在图案化的结构表面上，高温液滴会被诱导进入一种介于「莱顿弗罗斯特悬浮」与「接触沸腾」之间的复合态，从而使原本因蒸汽垫悬浮而失去方向性的液滴，重新获得可控的运动方向。该成果获《自然》News & Views专文点评，是团队首次证明「结构拓扑可以主导高温液滴的运动方向」。

# 第二步：Janus柱上的翻转输运

团队随后在《科学进展》(Science Advances)发表「Tip-induced flipping of droplets on Janus pillars: From local reconfiguration to global transport」^※，展示了一种更精细的机制：液滴在Janus（阴阳面）微柱阵列上，先在局部尖端触发「翻转」这一微观重构动作，再由大量局部翻转累积成宏观尺度的定向输运——把「单个液滴的姿态变化」与「群体液滴的方向选择」用同一套结构逻辑连接起来。

# 第三步：三维毛细棘轮，217年难题的终结(2021)

2021年9月17日^※，团队在《科学》(Science, Vol. 373, No. 6561, pp. 1344–1348, DOI: 10.1126/science.abg7552)发表「Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering」，是继2020年液滴发电机《自然》论文之后，王钻开在城大任内的第三篇顶刊正刊成果。据南华早报「高影响力研究」专题报道^※，该研究解决了一个自1804年起悬而未决、跨度217年的科学问题——此前学界普遍认为，液体在表面上的铺展方向仅由表面结构决定，与液体本身的性质无关。

团队设计出一种受南洋杉(Araucaria)叶片启发的三维仿生表面(Araucaria Leaf-Inspired Surface, ALIS)，其上布满带倒钩结构的三维毛细棘轮，棘轮齿尖间距与液体毛细长度相当（毫米量级）。表面张力由此成为决定铺展方向的关键变量：高表面张力液体（如水）会被棘轮尖端「钉扎」，只能向后铺展；低表面张力液体（如乙醇）则可克服钉扎向前铺展；水—乙醇混合液可实现双向铺展，且比例可调。王钻开在报道中表示^※：「我们首次实现了液体输运方向的定向选择，成功解决了一个自1804年以来就存在的问题。」该机制被认为对微流控设计、强化传热与智能液体导向具应用潜力。

这三步共同构成了液滴发电机得以成立的「上游」知识：没有对固液界面拓扑如何主导液体运动方向的理解，就没有后续FET式DEG中「液滴精准桥接电极」的结构设计。

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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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# 转任理大后：液滴发电技术仍在迭代（2023–2024）

一句话结论： 2022年11月^※王钻开转任香港理工大学协理副校长（研究及创新）后，液滴发电研究并未随团队搬迁而中断，反而在两年内两次刷新性能纪录。

王钻开卸任城大机械工程系讲席教授职务后，获理大委任为郭氏集团仿生工程教授、机械工程学系讲座教授，并出任仿生科学与工程研究中心主任（据理大校长室高层管理团队页面^※）。这也意味着，液滴发电这条研究线的产权与后续成果，自2022年底起归属理大而非城大——但技术脉络仍是城大时期工作的直接延伸，因此仍值得在本条目中交代清楚。

2024年，团队在期刊《Droplet》发表^※「A droplet-based electricity generator incorporating Kelvin water dropper with ultrahigh instantaneous power density」（第一作者Yang Li，王钻开参与通讯），将19世纪静电学经典装置「开尔文水滴摆(Kelvin water dropper)」的自感应放电机制引入DEG结构，单次液滴撞击的瞬时功率密度达到105 W/m²——较2020年《自然》论文报告的50.1 W/m²再提升逾一倍。同年3月，团队又在《细胞》(Cell)旗下期刊《Device》发表「Drinking-Bird-Enabled Triboelectric Hydrovoltaic Generator」^※（第一作者Hao Wu），把儿童玩具「喝水鸟」的蒸发驱动摆动机制与摩擦纳米发电结合，在自然蒸发环境下持续产生逾100伏电压——这条路径不再依赖液滴撞击的瞬时脉冲，而是把发电周期从「一滴水的百毫秒」拉长到「持续蒸发的数小时」，指向环境能量收集的另一种可能性。

下表汇总液滴/水动能发电技术的三代迭代（口径详见各论文）：

需要注意的是，这三代装置分属不同论文、不同测试口径（撞击式瞬时脉冲 vs. 持续蒸发驱动），不宜直接换算比较，但共同说明了一点：液滴/水动能发电并非王钻开在城大的「一次性」成果，而是他离开城大后仍在持续投入的长期研究方向。

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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^※）：

中银香港科技创新奖颁授理由明确提及「解决了液固相互作用与莱顿弗罗斯特效应中三个百年科学问题」（据STIP获奖者介绍页^※），覆盖的正是本文所述煎饼弹跳、液滴发电与莱顿弗罗斯特三条研究线——颁奖时点（2022年）恰在他转任理大前夕，表彰对象仍是其城大任内的科研积累。城大更多冠名教席与院士荣誉的横向对比见named-centres-and-honours.md；相关专利与创业转化见output-and-startups.md。

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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. 液滴定向输运三部曲(2016/2021)：从高温Janus液滴的拓扑导向（《自然·物理》2016）、Janus柱翻转输运（《科学进展》），到三维毛细棘轮解决217年液体导向难题（《科学》2021），实现液体在无外力驱动下自主选择扩散方向——三篇论文构成他在城大后期的顶刊产出主体之一。
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。
7. 理大时期的技术迭代(2023–2024)：转任理大后，团队以开尔文水滴摆机制将瞬时功率密度推至105 W/m²(K-DEG)，并以「喝水鸟」蒸发驱动机制开辟持续发电路径(DB-THG)——证明液滴/水动能发电这条技术线在他离开城大后仍保持增长曲线。

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%）。2024年后续K-DEG(105 W/m²)与DB-THG（逾100V持续电压）出自不同论文、不同测试口径，不可与2020年数据直接相加或替代对比。引用具体数字时，请回溯原始论文核查测试条件与发表机构（城大或理大）。

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