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

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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研究及創新事務副校長及講席教授,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。

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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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# 《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。這一現象嚴重製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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# 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^※):

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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(2016/2017):拓撲液體二極管與Janus液滴定向傳輸研究,實現液體在無外力驅動下自主選擇擴散方向——發表於《自然·物理》與《科學進展》。
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。

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%)。引用具體數字時,請回溯原始論文核查測試條件。

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