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超疏水材料創造的神話:水往高處流

來源:知乎高分子課堂(作者:winningman)      2016-02-29
導讀:“水往低處流”——這是一句我們再熟悉不過的諺語了。背后的科學原理是重力勢能轉化為動能。但是對于水來講,能量不只是有重力勢能與動能。近日,來自北京航空航天的劉克松與江雷院士團隊,利用水珠在超疏水材料界面處表面能與重力勢能的轉化,創造了“水往高處流”的神話。

看似違反常識的實驗效果

先通過一個視頻了解一下:

簡單地介紹一下這個效果拔群的裝置:


簡單地描述就是: 一個塑料管中預先用具有超疏水性質的篩網封存一定量的水,外界持續輸入的水珠如果碰到篩網界面,就如同被施了魔法一樣,“咻”的一下被吸了進去。維持這個過程,塑料管中的水柱就越來越高,看起來實現了“水往高處流”。研究者將其形象地稱之為”超疏水泵“。



科學原理

這其中最重要的組件就是篩網


篩網的材質本身是銅,通過正十二硫醇處理以后表面獲得了超疏水的性質。水滴落在超疏水的表面上會有很大的接觸角,即表現為仍呈現出圓滾滾的狀態。比如下圖是水珠在正常表面與某種超疏水表面的對比。


回到我們今天介紹的這個裝置。水珠碰到這個篩網之后,依舊可以大體維持原有的圓滾狀態,使水珠具有較大的表面能。水珠與篩網上方的水融合會使得表面能迅速釋放,足夠克服其重力勢能,實現“水往高處流”。

應用前景

當然,這項技術目前還有一定的局限性。比如,只能實現體積較小的水珠的逆重力提升,對于水面或者水膜則無作用。另外,水柱的高度達到某一極值后便不能再增加。即便這樣,這項技術對于驅動器設計、微流體體系、水的富集與轉移都有重要的借鑒意義。

參考文獻:

Cao, M.; Li, K.; Dong, Z.; Yu,C.; Yang, S.; Song, C.; Liu, K.; Jiang, L., Superhydrophobic “Pump”: Continuousand Spontaneous Antigravity Water Delivery. Advanced Functional Materials 2015,25(26), 4114-4119.

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