瓦特看见了什么发明了什么（瓦特发明了什么蒸汽机器） - 原点资讯

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？（实际上瓦特并非“发明者”，而是对蒸汽机进行重大改良）

还是先前马斯克有关“油车像蒸汽机不值钱”的争议言论？（他总是喜欢随便说说）

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。

从炒菜说起，认识莱顿弗罗斯特效应还有神奇的气膜

先看看“液滴蒸汽机”是什么原理。

炒菜是许多人的日常（大概）。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。

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炽热铁锅上的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应图片来源：wikipedia

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。

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铁锅煎鸡蛋图片来源：pixabay

再举个例子：2014年，“冰桶挑战”风靡一时，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“战斗民族”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。

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液氮冰桶挑战图片来源：youtube视频截图

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。

利用气膜，让液滴定向动起来

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莱顿弗罗斯特液滴在棘轮表面定向移动图片来源：imgur.com

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。如下图所示，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。

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莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴下方弯曲的气膜图片来源：Physical review letters, 2006, 96(15): 154502.

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。然而，目前这些方法大多只能实现液滴移动等简单的行为。

画一些图案，让莱顿弗罗斯特液滴给大家来点难的

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。

视频1 视频来源：作者

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（视频2）。

在第一个阶段时，超疏水区域产生气泡，随后气泡逐渐长大合并，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”字形的拐角处流出，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。

视频2 视频来源：作者

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，使用一个直角的超亲水图案，就可以产生单股的蒸汽流，将液滴朝直角的内侧拉动。一条线段则可以将气膜裁剪成对称的两部分，使液滴对称拉长。而不对称的角能够产生两股大小不相等的蒸汽流，使液滴绕着图案转动。

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