理大研发突破性冷冻水滴自主喷射机制 实现具成本效益的除冰技术应用

在室温状态下，水滴可以从荷叶等表面自动滑落，但这情况在低温状态下变得尤为复杂：水滴会与表面产生更强大的相互作用，加上欠缺能量转换的途径，水滴会冷凝结冰。累积在物件表面的冷冻水滴或冰通常需要由人手或机械设备清除，成本高且效率低，因此防止水滴在表面积聚在科学及实际应用层面上都别具意义。香港理工大学（理大）的研究人员取得科研突破，成功研发出冷冻水滴喷射的自主驱动机制，令水滴能够在没有任何外部能量输入的情况下自行喷射而出，有望开发极具经济效益及发展潜力的技术应用。

研究由理大协理副校长（研究及创新）丶郭氏集团仿生工程教授及机械工程学系讲座教授王钻开教授及理大机械工程学系副教授姚海民教授带领，主题为「结冰液滴的自喷射现象」的论文已於国际期刊《Nature Chemical Engineering》发表，去年更获该刊物选为十二月号的封面专题。研究的共同第一作者包括理大机械工程学系博士後研究员张欢欢博士丶博士生张威先生丶助理教授（研究）靳袁凯博士及博士生吴辰阳先生。

冷冻水滴自主喷射机制的发现，受真菌上的自然现象所启发，这种真菌可透过渗透作用引起体积膨胀，自行将其孢子射走。研究团队注意到类似的体积膨胀也会发生在水滴冷冻的过程中，於是利用此现象成功复制真菌的自主喷射机制，发明出一种拥有弹簧型支柱（spring-like pillars）及润湿对比性（wetting contrast）的「结构化弹性表面」（SES），可以令冷冻水滴进行自发性喷射。

SES的结构设计能够加快喷射速度，并扩大冷冻水滴的动能转换。当冷冻水滴出现体积膨胀时，会压缩SES的弹簧型支柱，当中产生的力量会於数十秒内先被转化为弹性能量并储存在支柱中，然後在几毫秒速度内迅速转化为水滴的动能。由於能量转换时间缩短了数千倍，其带来的动能足以将冷冻水滴喷射出去。

SES结构简单，在经过参数化设计後，即可在无任何外部能量输入，而就算受到风力和重／引力的阻力时，都能够有效喷射冷冻水滴，可望应用於飞机等航空器丶风叶或电缆线路上，预防积冰所造成的危险。张欢欢博士表示：「我们非常高兴能首次揭示自主驱动除冰概念，提供广泛的创新技术方案。我们正不断改进SES的设计，确保它能够以不同规模及较低的成本进行生产，应对社会需要。」

此外，研究提出的理论模型清楚阐释了实现水滴自主喷射现象的关键因素，具潜力扩展至不同领域的应用。王钻开教授表示：「这项仿生研究为多个技术应用带来深远影响。我们相信以这个冷冻水滴喷射机制为原型，可以进一步启发自主驱动的概念及技术发展，并延伸至不同用途，例如除冰丶能量收集及软体机器人的应用。」

其中，体积膨胀引起的水滴喷射现象正加深了科学家对用於防冰的多相冷冻动力学的了解。姚海民教授指出：「是次研究展示了一种有效地利用冷冻水滴体积膨胀而产生弹道运动的策略，这扩阔了能量转换现象的应用，更有机会带动水滴能量产生器和软体机器人弹射器等方面的发展。 」

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