王鑽開：解決水與能源危機的仿生之道

轉自：青年科學家論壇

一滴水如何瞬間點亮燈泡？一滴水如何快速冷卻千度高溫表面？造就這些神奇現象的關鍵是其利用表界面實現與周圍環境中水、能源的高效交換。五百多年來，五次科學技術革命在改變了人類生活方式的同時，也給大自然帶來了長久的破壞。目前，我們正面臨着嚴峻的水、能源和環境危機。從冰川到沙漠，從深海到高空，地球的每一個角落無不充滿了大自然的神奇。模仿生物表界面而發展起來的仿生科技已遍及人類涉足的衆多領域。在2023青年科學家50²論壇上，香港理工大學教授，2020年“科學探索獎”先進製造領域獲獎人王鑽開帶來有關《解決水與能源危機的仿生之道》的分享。

*以下文字根據錄音整理，未經報告嘉賓審閱

在解決水和能源的漫長征途當中，充滿很多美麗相遇的故事。260年前，瓦特發明了蒸汽機，蒸汽機推動了第一次工業革命。在此之後，人類經歷了電氣革命、信息革命，每次革命都改變了歷史進程，同時也帶來了自然資源的破壞，尤其是水和能源的破壞。

大自然是我們最好的導師。2015年，聯合國把水和能源定爲未來可持續發展的目標，同時諾貝爾獎獲得者認爲能源和水是我們最重要的挑戰。大自然是最好的導師，把智慧和法則無私貢獻給我們學習。例如植物可以從空氣中取水，通過光合作用把大自然的氧氣、水分和養分從根部輸送到頂部。同時通過水分和表面的相互作用，把種子播種到土地內。大自然用最簡單的材料獲得最高的水和能源效率。

我們今天的選擇決定了未來的走向，我的報告首先講到我們怎麼學習大自然，甚至超越大自然。

很多水和能源的應用，都需要水儘快脫離表面。從出瘀泥而不染的荷葉，到豬籠草，水與表面的接觸時間是一個常數。在2014年，我們通過仿生科技超越自然，開發了超疏水材料，讓液滴在擴展到最大的時候像餅狀一樣儘快脫離，從而減少80%的作用時間。

在另外一個應用上，我們希望水能夠自發地、定向地、儘快地鋪展。在過去的幾年，我們通過學習含羞草、松樹枝，開發了一種結構，能夠讓液滴像水流和二極管一樣自發地、定向地運動。同時，我們控制表面的電荷，讓它可以通過碰撞、靜電、光熱、原位摩擦產生。

我們通過向南洋杉學習所開發的結構，可以讓液體首次有選擇自己命運的權利，可以選擇不同的發展方向。這是因爲南洋杉具有獨特的蘑菇頭結構，這個簡單的結構修改了液體和固體相互作用的能量。我們所開發的結構可以用在疫苗檢測、高溫散熱中。

學習大自然也爲我們解決水危機提供了很好的思路。從貴州到非洲，從香港到倫敦，世界上有2億多人仍然飽受水資源匱乏的困擾。空氣中有大量的水，我們向大自然學習，模仿沙漠中的甲蟲，通過設計親水和疏水相結合的表面，進行快速冷凝水收集。我們模仿松樹枝，可以實現定向收集。

水不僅是生命之源，更是能量之源。如果水資源能得到開發，會更快實現雙碳目標。1878年，英國把水的動能變成電能。此後，水力發電站遍佈全球。但是很少有河流、雨滴、波浪的能量得以應用。2020年，這一現狀得到一點改觀。我們提出借鑑晶體管的結構，一個一個小雨滴像動態的門，把存儲在表面的電荷迅速、高效地釋放，一滴水可以瞬間點亮100個小LED燈，能源轉化效率提高了1000倍。這個工作在全世界得到廣泛應用：一滴水打在窗戶上，可以切換窗戶的透明度；打在葉子上，可以收集能量；與太陽能電池板結合，可以實現全天候的能量採集；從空氣中溼氣發電，一點水可以點亮20W燈泡。

我們提出一種普適的三極管設計理念，可以收集水、液滴，可以從空氣中溼氣發電，在微觀、宏觀下，甚至應用在生命學器件中。

水不僅可以發電，同時有大量潛熱，那麼我們能不能把水的潛熱用來降溫？從蒸汽機、空調到數據中心，熱無處不在。過去10幾年，我們通過維澤表納米結構的調控，來快速調控表面的相變。然而在高溫下，相變傳熱失效，這源於1756年萊頓弗羅斯特效應。高溫下水蒸發形成蒸汽騰，屏蔽了固體和液體之間的熱交換，這個現象看似簡單，實際上很複雜，很難產生突破性的技術。

過去幾年，我們把這個工作解決了一半，通過調控表面的結構梯度，把液體從萊頓弗羅斯特區域轉至沸騰區域。去年，我們通過合作，開發了簡單的三維結構，首次提出用絕熱材料來強化傳熱設計，在上千度的溫度下，水像魔力般鋪開，實現了水在二維空間的表面流動，蒸汽在地下通道的流動，把液體和氣體的運動分割。通過這種方式，只要有水不停地供應，就可以把上千度的溫度面持續降溫。

這個設計是普適的，可以在平面、曲面、任何材料結構上。我們的技術不僅僅應用在傳熱上，應用在化學上也是一樣的。我們首次把超浸潤突破到上千度的溫度空間，可以實現各種應用，包括軍工、航天發動機、航空發動機等。我們的散熱技術可以讓人造太陽變成真正的太陽，應用在民用、數據中心、集成芯片、低溫冷凍等。

除了主動冷卻，也可以實現被動冷卻。我們學習沙漠中的甲蟲，把熱輻射到太空。同時還引入了荷葉效應，讓材料完全超疏水，同時主動降溫。

除了水，另外一個更重要的可再生資源是太陽能。過去幾年，太陽能在中國快速發展，然而太陽能光伏板面臨很多問題，比如風塵風沙覆蓋、冰雪堆積，維修成本高。我們合作開發了一種超疏水塗層，非常耐磨、可以減阻、防腐蝕、防結冰，同時可以做成透明的，大面積覆蓋在太陽能板上。我們孵化的鈦然科技，可以解決光伏板的問題，現在可以把發電量平均提升15%以上。

除此之外，我們還受到大自然中蜜蜂的啓發。小蜜蜂不斷沾花粉，但是蜜蜂表面能夠始終保持清潔。我們仔細觀察發現，小蜜蜂的觸角上有一個梳子，形貌跟我們用的梳子一模一樣，但小梳子的長度只有38微米，其中橫跨100倍的剛度梯度。就是這樣的柔性結構讓顆粒花粉能夠快速脫離表面。受到蜜蜂的啓發，我們開發了小機器人，可以快速、高效地清洗太陽能光伏板。

科學探索始於自然。過去幾百年，我們模仿自然取得了輝煌的成績。面向未來，如果繼續保持學習大自然的好奇心和恆心。我想我們的水一定會更綠，天更藍，能量更持續，未來的基石更堅固，一定有人、科學、自然美麗的相遇。謝謝大家。