说到蒸汽机，你会想到什么？是那些传得神乎其神的“瓦特看到⽔开了就发明蒸汽机”的励志故事？还是先前⻢斯克有关“油⻋像蒸汽机不值钱”的争议⾔论？不过今天，⼤院er想暂时搁下这些“过去的事”，说说中国科学家在蒸汽机上的最新发明创造——⽤⼩⽔滴造⼀个“液滴蒸汽机”，然后有可能给微型机械设备提供动⼒。
先看看“液滴蒸汽机”是什么原理。炒菜是许多⼈的⽇常。有时，当我们把⽔加到热锅⾥后，⽔滴不但不会快速消失，反⽽会在锅底快速移动，⽽且整个过程能持续数分钟。如果我们仔细观察，会在⽔滴的底部发现⼀层明亮的⽓膜，这层微⽶级的⽓体薄膜使⽔滴与锅底分离，从⽽⼤幅提⾼了液滴的存在时间，这就是著名的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应。
有经验的厨师经常根据这个现象来判断锅⾥的温度。预热锅时，在锅⾥加上⼏滴⽔，如果⽔滴呈现莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）态，那锅⾥的温度已经接近200℃。在这个时候煎鸡蛋的话，鸡蛋不但不会糊，还不会粘锅。
再举个例⼦：2014年，“冰桶挑战”⻛靡⼀时，⼈们把⼀桶桶冰⽔迎头浇下，来唤起社会对“渐冻⼈症”的关注。
与多数⼈不同的是，有个来⾃“战⽃⺠族”的科学家将冰⽔换成了-195℃的液氮，在这个温度下，坚硬的钢铁也会变得像玻璃⼀样易碎。然⽽，在被液氮浇头后，科学家却毫发⽆损，甚⾄连⼀点冻伤都没有。这其实也是因为莱顿弗罗斯特效应——极度冰冷的液氮在接触到他的头部后发⽣汽化，蒸汽在液氮和头之间形成了蒸汽膜，阻碍了头上热量的流失。
在隔热的同时，这层将液滴与固体表⾯隔开的⽓膜还能⼤幅降低摩擦阻⼒。科学家将⾼温的⾦属放在⽔中移动，他们发现⾦属周围的液体迅速汽化并形成莱顿弗罗斯特⽓膜，这个⽓膜可以将⾦属移动的阻⼒降低80%以上。
此外，液滴与固体间的莱顿弗罗斯特⽓膜还是蒸汽流出的通道。蒸汽从狭窄的⽓膜中流出时，会产⽣沿着流动⽅向的粘性⼒。正常情况下，这些蒸汽朝四⾯⼋⽅均匀流出，产⽣的粘性⼒被相互抵消。但是如果将平整的表⾯换成不对称的表⾯，有趣的事情就发⽣了。
如上⾯的动图所示，放在⾼温的棘轮表⾯时，液滴会朝着棘轮开⼝较⼤的⼀侧定向移动。即使是倾斜的表⾯，液滴也能轻松爬上。这是因为，液滴放在这种表⾯时，底部⽓膜发⽣了弯曲变形。1处的⽓膜薄，压强较⼤，⽽2处的⽓膜厚，压强较⼩。蒸汽会从压强较⼤的地⽅流向压强较⼩的地⽅，即从1流向2处，从⽽产⽣了朝向棘轮开⼝较⼤处的驱动⼒。对于直径1厘⽶⼤⼩的液滴，这个驱动⼒能达到数微⽜，⾜以克服沿斜⾯爬升时的阻⼒。
这种定向移动液滴的⽅法具有很多的潜在应⽤。例如，芯⽚的损坏往往是因为内部产⽣的热量⽆法及时排出，⼤量的热逐渐累积，导致芯⽚发⽣热失效。利⽤这种液滴定向移动策略，再加上特殊的表⾯处理⼯艺，就可以使液滴定向移动到芯⽚表⾯沸腾，及时带⾛芯⽚产⽣的热量。⽽且，在不同区域设计不同朝向的棘轮结构，还能够随意控制液滴的移动⽅向、对液滴进⾏捕获等，这在微流控中具有重要意义。
如何“⾼难度”地控制莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴呢？中国科学院化学研究所的研究者发现，将超疏⽔表⾯和超亲⽔表⾯进⾏图案化结合，就可以让莱顿弗罗斯特液滴⾃发旋转。如视频1所示，他们在超疏⽔表⾯设计了⼀个“Z”字形的超亲⽔区域。加热这个超疏⽔表⾯时，液滴就能够像“陀螺”⼀样快速转动，⽽且转速越来越快。由于离⼼⼒和表⾯张⼒的作⽤，液滴逐渐从球形变成了橄榄球形。
测量发现，⼀个80微升的液滴能够在这种表⾯上旋转⼀分钟以上，转速最快可达20圈/秒以上。
随后他们从底部观察液滴，对莱顿弗罗斯特液滴转动的原因进⾏了分析。观察依据的原理是这样的：发⽣莱顿弗罗斯特效应时，液滴会与基底分离，因此在底部视图中，这些区域呈现⽩⾊。⽽没有发⽣莱顿弗罗斯特效应的区域则为深灰⾊。他们发现，这种表⾯上的液滴，超亲⽔区域⼀直呈现深灰⾊，⽽超疏⽔区域的变化则分为三个阶段。
在第⼀个阶段时，超疏⽔区域产⽣⽓泡，随后⽓泡逐渐⻓⼤合并，形成不连续的⽓膜；在第⼆个阶段，超疏⽔区域的⽓泡完全合并，形成了完整的⽓膜；在第三个阶段时，⽓膜由原来的圆形变成了椭圆形，并且还能观察到两股蒸汽从“Z”字形的拐⻆处流出，蒸汽流的⼤⼩基本相同。
因此，他们推断，液滴下⽅的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）⽓膜被超亲⽔区域从中间“裁剪”成了两个不相连的部分，蒸汽从超亲⽔的区域产⽣后只能沿着超疏⽔区域的⽓膜流出，形成了两股蒸汽流，蒸汽流产⽣的粘性⼒形成了扭矩，驱动了液滴⾼速转动。
利⽤这个发现就可以随⼼所欲地裁减蒸汽膜，从⽽实现液滴的不同⾏为。如下图所示，使⽤⼀个直⻆的超亲⽔图案，就可以产⽣单股的蒸汽流，将液滴朝直⻆的内侧拉动。⼀条线段则可以将⽓膜裁剪成对称的两部分，使液滴对称拉⻓。⽽不对称的⻆能够产⽣两股⼤⼩不相等的蒸汽流，使液滴绕着图案转动。
液滴蒸汽机，给⼩⼩的设备提供动⼒。裁剪液滴下⽅的⽓膜能做什么？研究者展示了利⽤旋转液滴制成的直径1厘⽶的微型蒸汽机。与传统蒸汽机不同，这个“液滴蒸汽机”结构简单，⽆需复杂的机械装置就能够将往复运动转化为旋转运动。直接将⻮轮放在旋转液滴上，就能通过液滴的转动直接带动⻮轮⾼速旋转，⽽且加⼊⼀个液滴就能使“液滴蒸汽机”稳定⼯作40秒以上。这个⼩型的蒸汽机有可能为微型机械设备提供动⼒。
旋转的液滴像陀螺⼀样，具有很好的稳定性，因此能够平稳地输出旋转动能。如视频4，不需要任何⽀撑部件，旋转的液滴就可以直接驱动三叶旋翼⾼速旋转⼀分钟以上。除了这些应⽤，剪裁莱顿弗罗斯特⽓膜还能够驱动转轴转动、定向驱动液滴等。
这个研究⾸次提出了“分割莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应”，实现了⾼温液滴的有效控制，在蒸汽能量利⽤⽅⾯具有⼴阔应⽤前景。你觉得这个“液滴蒸汽机”还能⽤在什么地⽅呢？欢迎评论留⾔，说说你的奇思妙想。本项⽬得到国家重点研发计划和国家⾃然科学基⾦基础科学中⼼项⽬（基⾦号11988102）的⽀持。本⽂经授权转载⾃微信公众号“科学⼤院”。