王钻开：解决水与能源危机的仿生之道

转自：青年科学家论坛

一滴水如何瞬间点亮灯泡？一滴水如何快速冷却千度高温表面？造就这些神奇现象的关键是其利用表界面实现与周围环境中水、能源的高效交换。五百多年来，五次科学技术革命在改变了人类生活方式的同时，也给大自然带来了长久的破坏。目前，我们正面临着严峻的水、能源和环境危机。从冰川到沙漠，从深海到高空，地球的每一个角落无不充满了大自然的神奇。模仿生物表界面而发展起来的仿生科技已遍及人类涉足的众多领域。在2023青年科学家50²论坛上，香港理工大学教授，2020年“科学探索奖”先进制造领域获奖人王钻开带来有关《解决水与能源危机的仿生之道》的分享。

*以下文字根据录音整理，未经报告嘉宾审阅

在解决水和能源的漫长征途当中，充满很多美丽相遇的故事。260年前，瓦特发明了蒸汽机，蒸汽机推动了第一次工业革命。在此之后，人类经历了电气革命、信息革命，每次革命都改变了历史进程，同时也带来了自然资源的破坏，尤其是水和能源的破坏。

大自然是我们最好的导师。2015年，联合国把水和能源定为未来可持续发展的目标，同时诺贝尔奖获得者认为能源和水是我们最重要的挑战。大自然是最好的导师，把智慧和法则无私贡献给我们学习。例如植物可以从空气中取水，通过光合作用把大自然的氧气、水分和养分从根部输送到顶部。同时通过水分和表面的相互作用，把种子播种到土地内。大自然用最简单的材料获得最高的水和能源效率。

我们今天的选择决定了未来的走向，我的报告首先讲到我们怎么学习大自然，甚至超越大自然。

很多水和能源的应用，都需要水尽快脱离表面。从出瘀泥而不染的荷叶，到猪笼草，水与表面的接触时间是一个常数。在2014年，我们通过仿生科技超越自然，开发了超疏水材料，让液滴在扩展到最大的时候像饼状一样尽快脱离，从而减少80%的作用时间。

在另外一个应用上，我们希望水能够自发地、定向地、尽快地铺展。在过去的几年，我们通过学习含羞草、松树枝，开发了一种结构，能够让液滴像水流和二极管一样自发地、定向地运动。同时，我们控制表面的电荷，让它可以通过碰撞、静电、光热、原位摩擦产生。

我们通过向南洋杉学习所开发的结构，可以让液体首次有选择自己命运的权利，可以选择不同的发展方向。这是因为南洋杉具有独特的蘑菇头结构，这个简单的结构修改了液体和固体相互作用的能量。我们所开发的结构可以用在疫苗检测、高温散热中。

学习大自然也为我们解决水危机提供了很好的思路。从贵州到非洲，从香港到伦敦，世界上有2亿多人仍然饱受水资源匮乏的困扰。空气中有大量的水，我们向大自然学习，模仿沙漠中的甲虫，通过设计亲水和疏水相结合的表面，进行快速冷凝水收集。我们模仿松树枝，可以实现定向收集。

水不仅是生命之源，更是能量之源。如果水资源能得到开发，会更快实现双碳目标。1878年，英国把水的动能变成电能。此后，水力发电站遍布全球。但是很少有河流、雨滴、波浪的能量得以应用。2020年，这一现状得到一点改观。我们提出借鉴晶体管的结构，一个一个小雨滴像动态的门，把存储在表面的电荷迅速、高效地释放，一滴水可以瞬间点亮100个小LED灯，能源转化效率提高了1000倍。这个工作在全世界得到广泛应用：一滴水打在窗户上，可以切换窗户的透明度；打在叶子上，可以收集能量；与太阳能电池板结合，可以实现全天候的能量采集；从空气中湿气发电，一点水可以点亮20W灯泡。

我们提出一种普适的三极管设计理念，可以收集水、液滴，可以从空气中湿气发电，在微观、宏观下，甚至应用在生命学器件中。

水不仅可以发电，同时有大量潜热，那么我们能不能把水的潜热用来降温？从蒸汽机、空调到数据中心，热无处不在。过去10几年，我们通过维泽表纳米结构的调控，来快速调控表面的相变。然而在高温下，相变传热失效，这源于1756年莱顿弗罗斯特效应。高温下水蒸发形成蒸汽腾，屏蔽了固体和液体之间的热交换，这个现象看似简单，实际上很复杂，很难产生突破性的技术。

过去几年，我们把这个工作解决了一半，通过调控表面的结构梯度，把液体从莱顿弗罗斯特区域转至沸腾区域。去年，我们通过合作，开发了简单的三维结构，首次提出用绝热材料来强化传热设计，在上千度的温度下，水像魔力般铺开，实现了水在二维空间的表面流动，蒸汽在地下通道的流动，把液体和气体的运动分割。通过这种方式，只要有水不停地供应，就可以把上千度的温度面持续降温。

这个设计是普适的，可以在平面、曲面、任何材料结构上。我们的技术不仅仅应用在传热上，应用在化学上也是一样的。我们首次把超浸润突破到上千度的温度空间，可以实现各种应用，包括军工、航天发动机、航空发动机等。我们的散热技术可以让人造太阳变成真正的太阳，应用在民用、数据中心、集成芯片、低温冷冻等。

除了主动冷却，也可以实现被动冷却。我们学习沙漠中的甲虫，把热辐射到太空。同时还引入了荷叶效应，让材料完全超疏水，同时主动降温。

除了水，另外一个更重要的可再生资源是太阳能。过去几年，太阳能在中国快速发展，然而太阳能光伏板面临很多问题，比如风尘风沙覆盖、冰雪堆积，维修成本高。我们合作开发了一种超疏水涂层，非常耐磨、可以减阻、防腐蚀、防结冰，同时可以做成透明的，大面积覆盖在太阳能板上。我们孵化的钛然科技，可以解决光伏板的问题，现在可以把发电量平均提升15%以上。

除此之外，我们还受到大自然中蜜蜂的启发。小蜜蜂不断沾花粉，但是蜜蜂表面能够始终保持清洁。我们仔细观察发现，小蜜蜂的触角上有一个梳子，形貌跟我们用的梳子一模一样，但小梳子的长度只有38微米，其中横跨100倍的刚度梯度。就是这样的柔性结构让颗粒花粉能够快速脱离表面。受到蜜蜂的启发，我们开发了小机器人，可以快速、高效地清洗太阳能光伏板。

科学探索始于自然。过去几百年，我们模仿自然取得了辉煌的成绩。面向未来，如果继续保持学习大自然的好奇心和恒心。我想我们的水一定会更绿，天更蓝，能量更持续，未来的基石更坚固，一定有人、科学、自然美丽的相遇。谢谢大家。