說到超疏水表面，很多人可能已經感覺不陌生了。在荷葉表面，圓圓的水滴滾落，不會潤濕表面，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。
但是，如果是原本靜止的水滴，有沒有辦法能讓它自己“蹦起來”呢？最近，瑞士蘇黎世理工大學布里卡克斯（Poulikakos）教授的課題組就讓疏水表面上的水滴自發地彈跳了起來，這一發現于11月4日發表在了《自然》（Nature）期刊上[1]
（點擊此處可閱讀論文全文）。
水滴究竟是怎么自己蹦起來的？答案其實就是降低周圍環境的氣壓。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。當氣壓降低到一定程度之后，水滴自己就會蹦跳起來，并且還像蹦床運動員一樣能夠越跳越高。
水滴為什么會蹦高？
要解釋這背后的原因，還要從超疏水表面的微觀結構開始說起。在自然界，最有名的疏水表面是荷葉，它的表面有細小的微觀粗糙結構，還包裹著不親水的表皮蠟，這些結構托起水滴，減小了固體和液體的接觸面積，使水滴處于“半懸空”的狀態。
在這里，研究者們所使用的超疏水表面也有類似的結構，當水滴“坐”在上面時，其實是刷子狀的細微突起和空隙中的空氣共同托起了它。
在密閉環境下，當環境氣壓降低并保證較低的環境濕度時，水分子的擴散就會加劇，從而加速液體蒸發。當然，蒸發的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而當水滴“坐”在超疏水表面上時，水滴在下部的蒸發就會受到阻礙。超疏水表面的空隙是開放的，但即使如此，空氣在其中依然不能那么順暢的流動。這樣一來，隨著水滴的蒸發，在水滴下方水蒸氣就會聚集起來，產生一個過壓強（overpressure）。這個額外的壓強會給水滴一個向上的力，當壓力超過了重力加上水與基底的黏附力時，水滴會被頂得跳起來啦。當然，在設計超疏水基底的時候要保證結構足夠矮，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能，當上升到一定高度之后自然會下落碰撞超疏水表面。超疏水表面對水的黏附力極低，因此水滴在碰撞超疏水表面時不會因黏附而損失很多能量，并且會在表面彈跳[4]
。
此外，碰撞時基底結構中的水蒸氣又會助水滴“一臂之力”，從而水滴在每一次碰撞時都會獲得一個加速度，進而越蹦越高，就像一個蹦床運動員一樣。
水滴的跳動還可以帶動懸臂進行持續的振動：
這個現象看起來不同尋常，不過它和日常生活中也能看到的另一個現象——萊頓弗羅斯特效應——也有相似之處。記得小時候，東北老家還在燒炕的年代，經常會看到水滴到爐子上，發出呲呲的聲音。水滴在到處翻滾而不會潤濕爐子，最終蒸發殆盡，這也是高溫下水蒸氣把水滴托起的結果。
“自動除冰”
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”現象。在同樣的低壓條件下，將過冷水置于超疏水表面上，隨著時間推移，過冷水結冰，而“結冰+低壓”同樣可以導致一個加速蒸發的過程，從而推動冰滴，使它從表面上騰空而起。
對于需要預防結冰的表面，這種現象看起來是個好消息。不過，德國馬普所的福爾默（Vollmer）教授指出，盡管這一系列工作很酷炫，但如何應用它還是個難題。尤其在戶外的開放環境下，依靠降低氣壓來防止結冰很難操作[3]
。
總之，這還是一項非常有趣的發現，它也讓我們對超疏水表面上水滴的性質有了新的認識。（編輯：窗敲雨）
作者是英國倫敦大學學院化學系博士生陸遙，他所在的實驗室也在進行超疏水材料方面的研究。
參考資料：
Thomas M. Schutzius, Stefan Jung, Tanmoy Maitra, Gustav Graeber, Moritz K?hme & Dimos Poulikakos, Nature 527, 82–85 (2015).
A. Cassie, S. Baxter, Trans. Faraday Soc. 40, 546–551 (1944).
Doris Vollmer & Hans-Jürgen Butt, Nature 527, 41–42 (2015).
Liu, Y. et al. Nature Phys. 10, 515–519 (2014).
from: 果殼
