理大研發突破性冷凍水滴自主噴射機制 實現具成本效益的除冰技術應用

在室溫狀態下，水滴可以從荷葉等表面自動滑落，但這情況在低溫狀態下變得尤為複雜：水滴會與表面產生更強大的相互作用，加上欠缺能量轉換的途徑，水滴會冷凝結冰。累積在物件表面的冷凍水滴或冰通常需要由人手或機械設備清除，成本高且效率低，因此防止水滴在表面積聚在科學及實際應用層面上都別具意義。香港理工大學（理大）的研究人員取得科研突破，成功研發出冷凍水滴噴射的自主驅動機制，令水滴能夠在沒有任何外部能量輸入的情況下自行噴射而出，有望開發極具經濟效益及發展潛力的技術應用。

研究由理大協理副校長（研究及創新）、郭氏集團仿生工程教授及機械工程學系講座教授王鑽開教授及理大機械工程學系副教授姚海民教授帶領，主題為「結冰液滴的自噴射現象」的論文已於國際期刊《Nature Chemical Engineering》發表，去年更獲該刊物選為十二月號的封面專題。研究的共同第一作者包括理大機械工程學系博士後研究員張歡歡博士、博士生張威先生、助理教授（研究）靳袁凱博士及博士生吳辰陽先生。

冷凍水滴自主噴射機制的發現，受真菌上的自然現象所啟發，這種真菌可透過滲透作用引起體積膨脹，自行將其孢子射走。研究團隊注意到類似的體積膨脹也會發生在水滴冷凍的過程中，於是利用此現象成功複製真菌的自主噴射機制，發明出一種擁有彈簧型支柱（spring-like pillars）及潤濕對比性（wetting contrast）的「結構化彈性表面」（SES），可以令冷凍水滴進行自發性噴射。

SES的結構設計能夠加快噴射速度，並擴大冷凍水滴的動能轉換。當冷凍水滴出現體積膨脹時，會壓縮SES的彈簧型支柱，當中產生的力量會於數十秒內先被轉化為彈性能量並儲存在支柱中，然後在幾毫秒速度內迅速轉化為水滴的動能。由於能量轉換時間縮短了數千倍，其帶來的動能足以將冷凍水滴噴射出去。

SES結構簡單，在經過參數化設計後，即可在無任何外部能量輸入，而就算受到風力和重／引力的阻力時，都能夠有效噴射冷凍水滴，可望應用於飛機等航空器、風葉或電纜線路上，預防積冰所造成的危險。張歡歡博士表示：「我們非常高興能首次揭示自主驅動除冰概念，提供廣泛的創新技術方案。我們正不斷改進SES的設計，確保它能夠以不同規模及較低的成本進行生產，應對社會需要。」

此外，研究提出的理論模型清楚闡釋了實現水滴自主噴射現象的關鍵因素，具潛力擴展至不同領域的應用。王鑽開教授表示：「這項仿生研究為多個技術應用帶來深遠影響。我們相信以這個冷凍水滴噴射機制為原型，可以進一步啟發自主驅動的概念及技術發展，並延伸至不同用途，例如除冰、能量收集及軟體機器人的應用。」

其中，體積膨脹引起的水滴噴射現象正加深了科學家對用於防冰的多相冷凍動力學的了解。姚海民教授指出：「是次研究展示了一種有效地利用冷凍水滴體積膨脹而產生彈道運動的策略，這擴闊了能量轉換現象的應用，更有機會帶動水滴能量產生器和軟體機器人彈射器等方面的發展。 」

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