王鑽開與液滴發電機——城大機械工程的仿生表面與《自然》封面研究

香港城市大學(CityUHK)綜合信息數據庫 · 04 科研模塊 · 材料學深挖系列 總覽與其他標誌性突破見 materials-and-engineering-research.md；與化學系張華的相工程納米材料同屬城大材料/工程標誌性人物條線，一走仿生表面、一走納米晶相。

一句話結論： 香港城市大學機械工程系講席教授王鑽開(Zuankai Wang)以仿生超疏水錶面研究為根基，2020年2月^※在《自然》發表液滴發電機(DEG)成果——單滴100微升水從15釐米高處落下即產生逾140伏電壓、瞬時功率密度達50.1 W/m²^※（比前代設備高數千倍），可同時點亮100只小型LED燈；團隊的超疏水「煎餅彈跳」研究還以最短液固接觸時間獲吉尼斯世界紀錄^※認證（2018年2月）。

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# 王鑽開是誰？他在城大做什麼研究？

王鑽開現為香港城市大學機械工程學系講席教授(Chair Professor)、仿生工程研究中心聯合主任。據城大教職員簡介^※，他先後于吉林大學取得本科學位（機械工程）、中國科學院上海微系統與信息技術研究所取得碩士學位，後赴美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)攻讀博士（機械工程，2008年），並在哥倫比亞大學完成博士後研究（生物醫學工程，2009年）。2022年11月，他轉任香港理工大學協理副校長（研究及創新）及講席教授，但其城大時期的系列成果已成該校機械工程最具國際影響力的科研線之一。

王鑽開的核心研究問題可以用三個追問概括：固液接觸的物理時間極限是多少？液體能否自主選擇擴散方向？如何實現萊頓弗羅斯特效應的徹底抑制？這三個看似基礎的物理問題，分別對應防冰覆膜、微流控芯片與航空/核能冷卻等截然不同的應用場景，是他將「仿生表面學」推向工程實用的核心邏輯。據實驗室官方頁面^※，團隊在城大期間發表論文逾200篇，在《自然》《科學》系列期刊上發表超過18篇論文；他本人2009年9月加入城大、2021年7月晉升講席教授^※，其間還聯合主任仿生工程研究中心。

值得強調的是，王鑽開在城大任內並非只發表過液滴發電與萊頓弗羅斯特兩篇《自然》正刊論文——2021年9月17日^※，團隊還在《科學》(Science)正刊發表了第三篇頂刊工作，解決了自1804年懸而未決、跨度217年的液體導向難題（詳見下節）。三篇頂刊論文橫跨2020至2022年，是他在城大後期學術產出最密集的階段。

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# 「煎餅彈跳」與吉尼斯紀錄：最短液固接觸時間

要理解王鑽開的液滴發電突破，需先了解他在城大建立學術聲譽的基礎工作——超疏水錶面上的液滴彈跳動力學。

2014年^※，團隊在《自然·物理》(Nature Physics)發表「超疏水錶面上的煎餅彈跳(Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces)」。研究發現，在由亞毫米級圓柱陣列裝飾納米紋理構成的超疏水錶面上，撞擊的液滴不走「鋪展—收縮—彈起」的經典路徑，而是在擴展階段就以扁平的「煎餅」形態整體彈離——接觸時間僅約3.4毫秒，比傳統設計縮短約四分之三。這一發現顛覆了關於液滴彈跳接觸時間存在理論下限的經典認知。

2018年2月^※，該團隊關於「最防水錶面」（最短液固接觸時間）的發明正式被收錄進吉尼斯世界紀錄。這是城大機械工程研究迄今取得的極少數吉尼斯認證之一，也令「超疏水錶面」的概念從學術圈進入公眾視野。該研究的物理意義在於：減少液固接觸時間意味着減少液體在表面滯留、傳熱，對防結冰、減摩損、防腐蝕等工業場景均有直接價值。

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# 液滴發電機(DEG)：一滴水為何能點亮100個LED?

# 問題是什麼？

在王鑽開團隊的液滴發電研究之前，利用雨水或海浪等自然水動能發電的「摩擦納米發電機(triboelectric nanogenerator,TENG)」已有大量研究，但存在一個關鍵瓶頸：由於傳統設計依賴界面效應產生和釋放電荷，電荷密度始終偏低，峯值功率密度不足1 W/m²^※——遠達不到實用化所需的水平。

# 「場效應晶體管式」結構如何破局？

2020年2月5日^※，王鑽開團隊與美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授(Xiao Cheng Zeng)、中國科學院北京納米能源與納米系統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)發表題為「A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density」的論文，提出了一種仿場效應晶體管(FET)結構的液滴發電機。

裝置的核心構成：以銦錫氧化物(ITO)為襯底、上覆聚四氟乙烯（PTFE，即特氟龍）薄膜，加配一個鋁電極。PTFE屬於「永久駐極體(electret)」材料，能長期保留表面電荷。關鍵創新在於：水滴持續撞擊PTFE表面時，電荷不斷積累直至飽和；當液滴鋪展到足夠寬度時，自然「橋接」本來斷開的ITO與鋁兩個電極，形成閉合迴路，儲存的全部電荷瞬間釋放——將原本侷限於表面界面的效應轉變為體相效應，從根本上突破了電荷密度的瓶頸。

# 關鍵數字是多少？

下表彙總液滴發電機的核心性能指標（均出自城大官方新聞稿及原始論文）：

城大官方新聞稿^※引述王鑽開的研究願景：「一滴雨水可以點亮100只小型LED燈。」這一演示由實驗室視頻公開記錄，成為該研究在全球50餘家媒體傳播的標誌性畫面。

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# 為什麼説這是「仿生」研究，與自然界有何關聯？

液滴發電機的技術路徑與仿生邏輯密切相連，而非憑空突破。

王鑽開團隊長期以自然界中的超疏水結構為設計靈感：荷葉表面的微納米乳突結構（使水珠滾落而不沾附）、仙人掌針刺的梯度錐形結構（引導水霧定向匯聚）、豬籠草口緣的潤滑表面（使液滴單向滑落）——這些都是王鑽開團隊研究的原型。液滴發電機之所以能高效積累電荷，正是因為PTFE超疏水特性確保水滴以特定方式鋪展和彈離，使每次撞擊的電荷積累效率最大化。據2022年11月團隊綜述^※，王鑽開在《納米研究能源》(Nano Research Energy)發表題為「Bio-inspired water-driven electricity generators: from fundamental mechanisms to practical applications」的綜述，系統梳理了從生物原型到發電器件的全鏈條，覆蓋雨驅動、蒸發驅動、波浪驅動等多種形式。

此外，超疏水錶面的「液固接觸時間控制」與液滴發電實為同一知識體系的兩面：前者追求液滴儘快離開表面（防冰/防腐場景），後者則需要精準控制液滴鋪展速度以最大化電荷釋放——對液固界面動力學的深刻理解是兩者共同的知識基礎。

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# 定向輸運三部曲：從Janus液滴到毛細棘輪，217年難題怎麼解

一句話結論： 液滴發電機能高效積累電荷，前提是團隊早在2016年起就掌握了「讓液體自主選擇擴散方向」的技術——這條貫穿近十年的研究線在2021年結出了王鑽開城大任內第三篇《自然》/《科學》正刊論文。

# 第一步：高温Janus液滴的定向輸運(2016)

發表於《自然·物理》(Nature Physics)的論文「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與王鑽開合作完成。研究發現：在圖案化的結構表面上，高温液滴會被誘導進入一種介於「萊頓弗羅斯特懸浮」與「接觸沸騰」之間的複合態，從而使原本因蒸汽墊懸浮而失去方向性的液滴，重新獲得可控的運動方向。該成果獲《自然》News & Views專文點評，是團隊首次證明「結構拓撲可以主導高温液滴的運動方向」。

# 第二步：Janus柱上的翻轉輸運

團隊隨後在《科學進展》(Science Advances)發表「Tip-induced flipping of droplets on Janus pillars: From local reconfiguration to global transport」^※，展示了一種更精細的機制：液滴在Janus（陰陽面）微柱陣列上，先在局部尖端觸發「翻轉」這一微觀重構動作，再由大量局部翻轉累積成宏觀尺度的定向輸運——把「單個液滴的姿態變化」與「羣體液滴的方向選擇」用同一套結構邏輯連接起來。

# 第三步：三維毛細棘輪，217年難題的終結(2021)

2021年9月17日^※，團隊在《科學》(Science, Vol. 373, No. 6561, pp. 1344–1348, DOI: 10.1126/science.abg7552)發表「Three-dimensional capillary ratchet-induced liquid directional steering」，是繼2020年液滴發電機《自然》論文之後，王鑽開在城大任內的第三篇頂刊正刊成果。據南華早報「高影響力研究」專題報道^※，該研究解決了一個自1804年起懸而未決、跨度217年的科學問題——此前學界普遍認為，液體在表面上的鋪展方向僅由表面結構決定，與液體本身的性質無關。

團隊設計出一種受南洋杉(Araucaria)葉片啓發的三維仿生表面(Araucaria Leaf-Inspired Surface, ALIS)，其上佈滿帶倒鈎結構的三維毛細棘輪，棘輪齒尖間距與液體毛細長度相當（毫米量級）。表面張力由此成為決定鋪展方向的關鍵變量：高表面張力液體（如水）會被棘輪尖端「釘扎」，只能向後鋪展；低表面張力液體（如乙醇）則可克服釘扎向前鋪展；水—乙醇混合液可實現雙向鋪展，且比例可調。王鑽開在報道中表示^※：「我們首次實現了液體輸運方向的定向選擇，成功解決了一個自1804年以來就存在的問題。」該機制被認為對微流控設計、強化傳熱與智能液體導向具應用潛力。

這三步共同構成了液滴發電機得以成立的「上游」知識：沒有對固液界面拓撲如何主導液體運動方向的理解，就沒有後續FET式DEG中「液滴精準橋接電極」的結構設計。

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# 《自然》之後：第二篇——萊頓弗羅斯特效應的266年難題

液滴發電機並非王鑽開在城大期間唯一的《自然》正刊成果。2022年1月27日^※，團隊再次在《自然》發表「Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling」(Nature 601, 568–572, 2022)，解決了自1756年延續266年的萊頓弗羅斯特效應難題。

萊頓弗羅斯特效應是指：液體接觸極熱表面時，瞬間蒸發形成的氣層將液體「托起」，使液體懸浮於熱表面上方，導致換熱效率急劇下降。這一現象嚴重制約了航空發動機與核反應堆的熱管理。王鑽開團隊設計的「結構熱鎧甲(Structured Thermal Armor,STA)」：以導熱柱作為熱橋、嵌入超親水膜吸收液體、U形微通道排出蒸汽——三層結構協同將萊頓弗羅斯特臨界點從約550°C提升至1,150°C^※，即比此前記錄高出600°C，同時水滴在表面的存活時間從對比樣品縮短約50倍至僅0.33秒。

這一成果與液滴發電機同屬「仿生表面主動調控液固界面」的研究脈絡——只是前者追求電荷轉化效率，後者追求熱量傳導效率；二者共同展示城大機械工程在微納界面科學領域的深度積累。

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# 實際應用潛力：從雨傘到海浪能

# 近期可行的應用場景

液滴發電機的應用場景因其「固液接觸即發電」的原理而極為廣泛。城大官方新聞稿^※列舉了若干候選方向：

研究者在訪談中坦承，當前原型機的整體能量轉換效率約為5%，與大型水力發電相距甚遠；但對於分佈式、小規模能量採集（如為低功耗傳感器供電），50.1 W/m²的峯值瞬時功率密度已具現實意義。王鑽開將未來願景擴展至「採集心臟跳動的機械運動產生的能量」——這指向了可穿戴/植入式醫療器件的長期方向。

# 規模化挑戰

任何基於液固摩擦的發電設備都面臨材料耐久性與集成成本的挑戰。2025年發表於《自然·通訊》的後續研究^※表明，研究者已開始探索將DEG陣列與微型超級電容器集成，以提升大規模部署時的能量存儲與輸出穩定性——這是從實驗室到應用必須跨越的工程化階段。

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# 轉任理大後：液滴發電技術仍在迭代（2023–2024）

一句話結論： 2022年11月^※王鑽開轉任香港理工大學協理副校長（研究及創新）後，液滴發電研究並未隨團隊搬遷而中斷，反而在兩年內兩次刷新性能紀錄。

王鑽開卸任城大機械工程系講席教授職務後，獲理大委任為郭氏集團仿生工程教授、機械工程學系講座教授，並出任仿生科學與工程研究中心主任（據理大校長室高層管理團隊頁面^※）。這也意味着，液滴發電這條研究線的產權與後續成果，自2022年底起歸屬理大而非城大——但技術脈絡仍是城大時期工作的直接延伸，因此仍值得在本條目中交代清楚。

2024年，團隊在期刊《Droplet》發表^※「A droplet-based electricity generator incorporating Kelvin water dropper with ultrahigh instantaneous power density」（第一作者Yang Li，王鑽開參與通訊），將19世紀靜電學經典裝置「開爾文水滴擺(Kelvin water dropper)」的自感應放電機制引入DEG結構，單次液滴撞擊的瞬時功率密度達到105 W/m²——較2020年《自然》論文報告的50.1 W/m²再提升逾一倍。同年3月，團隊又在《細胞》(Cell)旗下期刊《Device》發表「Drinking-Bird-Enabled Triboelectric Hydrovoltaic Generator」^※（第一作者Hao Wu），把兒童玩具「喝水鳥」的蒸發驅動擺動機制與摩擦納米發電結合，在自然蒸發環境下持續產生逾100伏電壓——這條路徑不再依賴液滴撞擊的瞬時脈衝，而是把發電週期從「一滴水的百毫秒」拉長到「持續蒸發的數小時」，指向環境能量收集的另一種可能性。

下表彙總液滴/水動能發電技術的三代迭代（口徑詳見各論文）：

需要注意的是，這三代裝置分屬不同論文、不同測試口徑（撞擊式瞬時脈衝 vs. 持續蒸發驅動），不宜直接換算比較，但共同説明了一點：液滴/水動能發電並非王鑽開在城大的「一次性」成果，而是他離開城大後仍在持續投入的長期研究方向。

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# 王鑽開的主要學術榮譽（城大任職期間）

下表彙總王鑽開在香港城市大學期間獲得的主要榮譽（來源：實驗室官方頁面^※及城大官方公告^※）：

中銀香港科技創新獎頒授理由明確提及「解決了液固相互作用與萊頓弗羅斯特效應中三個百年科學問題」（據STIP獲獎者介紹頁^※），覆蓋的正是本文所述煎餅彈跳、液滴發電與萊頓弗羅斯特三條研究線——頒獎時點（2022年）恰在他轉任理大前夕，表彰對象仍是其城大任內的科研積累。城大更多冠名教席與院士榮譽的橫向對比見named-centres-and-honours.md；相關專利與創業轉化見output-and-startups.md。

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# 研究脈絡總結：仿生→超疏水→能量採集

將上述成果串起來，可見清晰的知識積累路徑：

1. 超疏水微納結構（2010年代初）：以荷葉等生物結構為原型，研究超疏水錶面上液滴的鋪展、彈跳與導向控制。
2. 煎餅彈跳與吉尼斯紀錄(2014/2018)：發現液滴可以最短接觸時間（約3.4 ms）以「煎餅」形態彈離表面，顛覆經典接觸時間下限理論，獲國際官方認證。
3. 液滴定向輸運三部曲(2016/2021)：從高温Janus液滴的拓撲導向（《自然·物理》2016）、Janus柱翻轉輸運（《科學進展》），到三維毛細棘輪解決217年液體導向難題（《科學》2021），實現液體在無外力驅動下自主選擇擴散方向——三篇論文構成他在城大後期的頂刊產出主體之一。
4. 液滴發電機(2020)：將超疏水錶面的液滴動力學知識轉化為能量採集，以FET式結構突破TENG功率密度極限，發表《自然》封面論文。
5. 萊頓弗羅斯特效應突破(2022)：結構熱鎧甲將防禦液固界面問題推向超高温場景，再發《自然》正刊。
6. 綜合綜述與應用拓展(2022–):Nano Research Energy綜述統領整條研究線，後續團隊持續開展DEG規模化與醫療應用探索。
7. 理大時期的技術迭代(2023–2024)：轉任理大後，團隊以開爾文水滴擺機制將瞬時功率密度推至105 W/m²(K-DEG)，並以「喝水鳥」蒸發驅動機制開闢持續發電路徑(DB-THG)——證明液滴/水動能發電這條技術線在他離開城大後仍保持增長曲線。

來源口徑説明：瞬時功率密度「50.1 W/m²」與「比前代高數千倍」均為原始論文(Nature 578:392–396,2020)所報告的實驗室條件下峯值數據。現實中採集效率受液滴頻率、表面面積、集成方式等影響，實用功率仍處研發階段（效率約5%）。2024年後續K-DEG(105 W/m²)與DB-THG（逾100V持續電壓）出自不同論文、不同測試口徑，不可與2020年數據直接相加或替代對比。引用具體數字時，請回溯原始論文核查測試條件與發表機構（城大或理大）。

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