王鑽開與液滴發電機——城大機械工程嘅仿生表面同《自然》封面研究

香港城市大學(CityUHK)綜合資訊資料庫 · 04 科研模組 · 材料學深探系列 總覽同其他標誌性突破見 materials-and-engineering-research.md。

一句講曬: 香港城市大學機械工程學系講席教授王鑽開(Zuankai Wang)以仿生超疏水錶面研究做根基,2020年2月^※喺《自然》發表液滴發電機(DEG)成果——單單一滴100微升嘅水由15釐米高處跌落嚟,就產生到逾140伏電壓、瞬時功率密度達50.1 W/m²^※(比前代設備高數千倍),可以同時點着100盞小型LED燈;團隊嘅超疏水「 pancake 彈跳」研究仲以最短液固接觸時間攞到健力士世界紀錄^※認證(2018年2月)。

---

# 王鑽開係邊個?佢喺城大做緊乜研究?

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^※,佢先後喺吉林大學攞到本科學位(機械工程)、中國科學院上海微系統與資訊技術研究所攞到碩士學位,之後去美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)讀博士(機械工程,2008年),再喺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,佢轉任香港理工大學研究及創新事務副校長同講席教授,但佢喺城大時期嘅一系列成果,已經成為該校機械工程最具國際影響力嘅科研線之一。

王鑽開嘅核心研究問題可以用三個追問概括:固液接觸嘅物理時間極限係幾多?液體可唔可以自主揀擴散方向?點樣徹底抑制萊頓弗羅斯特效應?呢三個睇落好基礎嘅物理問題,分別對應防冰覆膜、微流控晶片同航空/核能冷卻呢啲截然不同嘅應用場景,係佢將「仿生表面學」推向工程實用嘅核心邏輯。據實驗室官方頁面^※,團隊喺城大期間發表論文逾200篇,喺《自然》《科學》系列期刊上發表超過18篇論文。

---

# 「 pancake 彈跳」同健力士紀錄:最短液固接觸時間

要明瞭王鑽開嘅液滴發電突破,首先要了解佢喺城大建立學術聲譽嘅基礎工夫——超疏水錶面上嘅液滴彈跳動力學。

2014年^※,團隊喺《自然·物理》(Nature Physics)發表「超疏水錶面上嘅 pancake 彈跳(Pancake bouncing on superhydrophobic surfaces)」。研究發現,喺由亞毫米級圓柱陣列裝飾納米紋理構成嘅超疏水錶面上,撞擊嘅液滴唔係行「鋪展—收縮—彈起」嘅經典路徑,而係喺擴展階段就以扁平嘅「 pancake 」形態成個彈走——接觸時間只得約3.4毫秒,比傳統設計縮短咗約四分之三。呢個發現顛覆咗過往認為液滴彈跳接觸時間存在理論下限嘅經典認知。

2018年2月^※,團隊關於「最防水錶面」(最短液固接觸時間)嘅發明正式畀收錄入健力士世界紀錄。呢個係城大機械工程研究迄今攞到嘅極少數健力士認證之一,亦令「超疏水錶面」嘅概念由學術圈走入公眾視野。該研究嘅物理意義在於:減少液固接觸時間,就意味住減少液體喺表面滯留同傳熱嘅時間,對防結冰、減磨損、防腐蝕等工業場景都有直接價值。

---

# 液滴發電機(DEG):一滴水點解可以點着100個LED?

# 個問題係乜?

喺王鑽開團隊嘅液滴發電研究之前,利用雨水或者海浪等自然水動能發電嘅「摩擦納米發電機(triboelectric nanogenerator,TENG)」已經有大把研究,但存在一個關鍵瓶頸:由於傳統設計依賴界面效應產生同釋放電荷,電荷密度一直都偏低下,峯值功率密度不足1 W/m²^※——遠遠達唔到實用化所需嘅水準。

# 「場效應晶體管式」結構點樣破局?

2020年2月5日^※,王鑽開團隊同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,喺《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」嘅論文,提出咗一種仿場效應晶體管(FET)結構嘅液滴發電機。

裝置嘅核心構成:用銦錫氧化物(ITO)做襯底、上面覆蓋聚四氟乙烯(PTFE,即係特氟龍)薄膜,再加一個鋁電極。PTFE屬於「永久駐極體(electret)」材料,能夠長期保留表面電荷。關鍵創新在於:水滴持續撞擊PTFE表面嘅時候,電荷一路積累到飽和;當液滴鋪展到夠闊嘅時候,就自然「橋接」返本來斷開嘅ITO同鋁兩個電極,形成閉合迴路,儲存咗嘅全部電荷瞬間釋放——將本來侷限喺表面界面嘅效應轉變為體相效應,由根本度突破咗電荷密度嘅瓶頸。

# 關鍵數字係幾多?

下表彙總液滴發電機嘅核心性能指標(數據均出自城大官方新聞稿同原始論文):

城大官方新聞稿^※引述王鑽開嘅研究願景:「一滴雨水可以點亮100隻小型LED燈。」呢個演示由實驗室影片公開記錄,成為該研究喺全球五十幾間媒體傳播嘅標誌性畫面。

---

# 點解話呢個係「仿生」研究,同自然界有乜關聯?

液滴發電機嘅技術路徑同仿生邏輯扣得好緊,唔係憑空突破。

王鑽開團隊長期以自然界嘅超疏水結構做設計靈感:荷葉表面嘅微納米乳突結構(令水珠轆走唔會黐住)、仙人掌刺嘅梯度錐形結構(引導水霧定向匯聚)、豬籠草口緣嘅潤滑表面(令液滴單向滑落)——呢啲全部都係王鑽開團隊研究嘅原型。液滴發電機之所以能夠高效積累電荷,正正係因為PTFE嘅超疏水特性確保水滴以特定方式鋪展同彈走,令每次撞擊嘅電荷積累效率最大化。據2022年11月團隊綜述^※,王鑽開喺《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」嘅綜述,系統噉梳理咗由生物原型到發電器件嘅全鏈條,覆蓋雨驅動、蒸發驅動、波浪驅動等多種形式。

此外,超疏水錶面嘅「液固接觸時間控制」同液滴發電其實係同一知識體系嘅兩面:前者追求液滴盡快離開表面(防冰/防腐場景),後者就需要精準控制液滴鋪展速度,以最大化電荷釋放——對液固界面動力學嘅深刻理解,係兩者共同嘅知識基礎。

---

# 《自然》之後:第二篇——萊頓弗羅斯特效應嘅266年難題

液滴發電機並唔係王鑽開喺城大期間唯一嘅《自然》正刊成果。2022年1月27日^※,團隊再次喺《自然》發表「Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling」(Nature 601, 568–572, 2022),解決咗自1756年延續266年嘅萊頓弗羅斯特效應難題。

萊頓弗羅斯特效應係指:液體掂到極熱表面嘅時候,瞬間蒸發形成嘅氣層將液體「托起」,令液體懸浮喺熱表面上方,搞到換熱效率急劇下降。呢個現象嚴重製約咗航空引擎同核反應堆嘅熱管理。王鑽開團隊設計嘅「結構熱鎧甲(Structured Thermal Armor,STA)」:用導熱柱做熱橋、嵌入超親水膜吸收液體、U形微通道排走蒸汽——三層結構協同將萊頓弗羅斯特臨界點由約550°C提升到1,150°C^※,即係比之前嘅記錄高出600°C,同時水滴喺表面嘅存活時間由對比樣本嘅縮短咗約50倍,去到只得0.33秒。

呢個成果同液滴發電機同屬「仿生表面主動調控液固界面」嘅研究脈絡——只係前者追求電荷轉化效率,後者追求熱量傳導效率;兩者一齊展示咗城大機械工程喺微納界面科學領域嘅深層積累。

---

# 實際應用潛力:由雨遮到海浪能

# 近期可行嘅應用場景

液滴發電機嘅應用場景因為佢「固液掂到就發電」嘅原理,所以極之廣泛。城大官方新聞稿^※列舉咗幾個候選方向:

研究者喺訪談度坦承,而家原型機嘅整體能量轉換效率約莫5%,同大型水力發電爭好遠;但對於分佈式、小規模能量採集(例如幫低功耗傳感器供電),50.1 W/m²嘅峯值瞬時功率密度已經有現實意義。王鑽開將未來願景擴展到「採集心臟跳動嘅機械運動所產生嘅能量」——呢個指向咗可穿戴/植入式醫療器件嘅長遠方向。

# 規模化挑戰

任何基於液固摩擦嘅發電設備,都要面對材料耐久性同集成成本嘅挑戰。2025年發表於《自然·通訊》嘅後續研究^※顯示,研究者已經開始探索將DEG陣列同微型超級電容器集成,以提升大規模部署嗰陣嘅能量儲存同輸出穩定性——呢個係由實驗室到應用必須跨越嘅工程化階段。

---

# 王鑽開嘅主要學術榮譽(城大任職期間)

下表彙總王鑽開喺香港城市大學期間攞到嘅主要榮譽(來源:實驗室官方頁面^※及城大官方公告^※):

---

# 研究脈絡總結:仿生→超疏水→能量採集

將上述成果串返埋一齊,可以見到一條好清晰嘅知識積累路徑:

1. 超疏水微納結構(2010年代初):以荷葉等生物結構做原型,研究超疏水錶面上液滴嘅鋪展、彈跳同導向控制。
2. pancake 彈跳同健力士紀錄(2014/2018):發現液滴可以用最短接觸時間(約3.4 ms)以「 pancake 」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(2016/2017):拓撲液體二極管同Janus液滴定向傳輸研究,實現液體喺冇外力驅動下自主揀擴散方向——發表喺《自然·物理》同《科學進展》。
4. 液滴發電機(2020):將超疏水錶面嘅液滴動力學知識轉化為能量採集,用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. 綜合綜述同應用拓展(2022–):Nano Research Energy綜述統領整條研究線,後續團隊持續開展DEG規模化同醫療應用探索。

來源口徑説明:瞬時功率密度「50.1 W/m²」同「比前代高數千倍」均為原始論文(Nature 578:392–396,2020)所報告嘅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、集成方式等因素影響,實用功率仍處研發階段(效率約5%)。引用具體數字嗰陣,請回溯原始論文核查測試條件。

---