說(shuō)到超疏水表面，很多人可能已經(jīng)感覺(jué)不陌生了。在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會(huì)潤(rùn)濕表面，而如果是水滴從高處滴落到超疏水表面上，它們甚至還能彈跳起來(lái)。

從高處下落的水滴在超疏水表面上彈跳。原視頻來(lái)自：UniversityRochester

但是，如果是原本靜止的水滴，有沒(méi)有辦法能讓它自己“蹦起來(lái)”呢？最近，瑞士蘇黎世理工大學(xué)布里卡克斯（Poulikakos）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發(fā)地彈跳了起來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)于11月4日發(fā)表在了《自然》（Nature）期刊上[1]。

從疏水表面上自己跳起來(lái)的水滴。原視頻來(lái)自：T M Schutzius et al.

水滴究竟是怎么自己蹦起來(lái)的？答案其實(shí)就是降低周圍環(huán)境的氣壓。研究者們先讓小水滴靜止在超疏水表面上，然后降低周圍的氣壓。當(dāng)氣壓降低到一定程度之后，水滴自己就會(huì)蹦跳起來(lái)，并且還像蹦床運(yùn)動(dòng)員一樣能夠越跳越高。

水滴為何會(huì)蹦高？

要解釋這背后的原因，還要從超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始說(shuō)起。在自然界，最有名的疏水表面是荷葉，它的表面有細(xì)小的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，還包裹著不親水的表皮蠟，這些結(jié)構(gòu)托起水滴，減小了固體和液體的接觸面積，使水滴處于“半懸空”的狀態(tài)。

荷葉表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)。

在這里，研究者們所使用的超疏水表面也有類似的結(jié)構(gòu)，當(dāng)水滴“坐”在上面時(shí)，其實(shí)是刷子狀的細(xì)微突起和空隙中的空氣共同托起了它。

超疏水表面的柯西模型[2]示意圖。

在密閉環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境氣壓降低并保證較低的環(huán)境濕度時(shí)，水分子的擴(kuò)散就會(huì)加劇，從而加速液體蒸發(fā)。當(dāng)然，蒸發(fā)的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當(dāng)水滴“坐”在超疏水表面上時(shí)，水滴在下部的蒸發(fā)就會(huì)受到阻礙。超疏水表面的空隙是開(kāi)放的，但即使如此，空氣在其中依然不能那么順暢的流動(dòng)。

這樣一來(lái)，隨著水滴的蒸發(fā)，在水滴下方水蒸氣就會(huì)聚集起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)過(guò)壓強(qiáng)（overpressure）。這個(gè)額外的壓強(qiáng)會(huì)給水滴一個(gè)向上的力，當(dāng)壓力超過(guò)了重力加上水與基底的黏附力時(shí)，水滴會(huì)被頂?shù)锰饋?lái)啦。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)超疏水基底的時(shí)候要保證結(jié)構(gòu)足夠矮，足夠擁擠，才能使氣體流通不順暢。

水滴被彈起之后獲得了動(dòng)能，當(dāng)上升到一定高度之后自然會(huì)下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對(duì)水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面時(shí)不會(huì)因黏附而損失很多能量，并且會(huì)在表面彈跳[4]。

此外，碰撞時(shí)基底結(jié)構(gòu)中的水蒸氣又會(huì)助水滴“一臂之力”，從而水滴在每一次碰撞時(shí)都會(huì)獲得一個(gè)加速度，進(jìn)而越蹦越高，就像一個(gè)蹦床運(yùn)動(dòng)員一樣。

水滴的跳動(dòng)還可以帶動(dòng)懸臂進(jìn)行持續(xù)的振動(dòng)：

原視頻來(lái)自T M Schutzius et al.

這個(gè)現(xiàn)象看起來(lái)不同尋常，不過(guò)它和日常生活中也能看到的另一個(gè)現(xiàn)象——萊頓弗羅斯特效應(yīng)——也有相似之處。記得小時(shí)候，東北老家還在燒炕的年代，經(jīng)常會(huì)看到水滴到爐子上，發(fā)出呲呲的聲音。水滴在到處翻滾而不會(huì)潤(rùn)濕爐子，最終蒸發(fā)殆盡，這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結(jié)果。

萊頓弗羅斯特效應(yīng)，在溫度遠(yuǎn)超沸點(diǎn)的灼熱表面上，蒸汽托起水滴并推動(dòng)它移動(dòng)。圖片來(lái)源：itsokaytobesmart.com

自動(dòng)除冰

除了蹦跳的水滴之外，研究者還向人們展示了更加酷炫的“冰滴飛起”現(xiàn)象。在同樣的低壓條件下，將過(guò)冷水置于超疏水表面上，隨著時(shí)間推移，過(guò)冷水結(jié)冰，而“結(jié)冰+低壓”同樣可以導(dǎo)致一個(gè)加速蒸發(fā)的過(guò)程，從而推動(dòng)冰滴，使它從表面上騰空而起。

原視頻來(lái)自T M Schutzius et al.

對(duì)于需要預(yù)防結(jié)冰的表面，這種現(xiàn)象看起來(lái)是個(gè)好消息。不過(guò)，德國(guó)馬普所的福爾默（Vollmer）教授指出，盡管這一系列工作很酷炫，但如何應(yīng)用它還是個(gè)難題。尤其在戶外的開(kāi)放環(huán)境下，依靠降低氣壓來(lái)防止結(jié)冰很難操作[3]。

總之，這還是一項(xiàng)非常有趣的發(fā)現(xiàn)，它也讓我們對(duì)超疏水表面上水滴的性質(zhì)有了新的認(rèn)識(shí)。