说到超疏水表面，很多人可能已经感觉不陌生了。在荷叶表面，圆圆的水滴滚落，不会润湿表面，而如果是水滴从高处滴落到超疏水表面上，它们甚至还能弹跳起来。
从高处下落的水滴在超疏水表面上弹跳。原视频来自：UniversityRochester
但是，如果是原本静止的水滴，有没有办法能让它自己“蹦起来”呢？最近，瑞士苏黎世理工大学布里卡克斯（Poulikakos）教授的课题组就让疏水表面上的水滴自发地弹跳了起来，这一发现于11月4日发表在了《自然》（Nature）期刊上[1]（点击此处可阅读论文全文）。
从疏水表面上自己跳起来的水滴。原视频来自：T M Schutzius et al.
水滴究竟是怎么自己蹦起来的？答案其实就是降低周围环境的气压。研究者们先让小水滴静止在超疏水表面上，然后降低周围的气压。当气压降低到一定程度之后，水滴自己就会蹦跳起来，并且还像蹦床运动员一样能够越跳越高。
水滴为什么会蹦高？
要解释这背后的原因，还要从超疏水表面的微观结构开始说起。在自然界，最有名的疏水表面是荷叶，它的表面有细小的微观粗糙结构，还包裹着不亲水的表皮蜡，这些结构托起水滴，减小了固体和液体的接触面积，使水滴处于“半悬空”的状态。
荷叶表面粗糙的微观结构。
在这里，研究者们所使用的超疏水表面也有类似的结构，当水滴“坐”在上面时，其实是刷子状的细微突起和空隙中的空气共同托起了它。
超疏水表面的柯西模型[2]示意图。
在密闭环境下，当环境气压降低并保证较低的环境湿度时，水分子的扩散就会加剧，从而加速液体蒸发。当然，蒸发的方向是四面八方的，水滴的下方也不例外。而当水滴“坐”在超疏水表面上时，水滴在下部的蒸发就会受到阻碍。超疏水表面的空隙是开放的，但即使如此，空气在其中依然不能那么顺畅的流动。这样一来，随着水滴的蒸发，在水滴下方水蒸气就会聚集起来，产生一个过压强（overpressure）。这个额外的压强会给水滴一个向上的力，当压力超过了重力加上水与基底的黏附力时，水滴会被顶得跳起来啦。当然，在设计超疏水基底的时候要保证结构足够矮，足够拥挤，才能使气体流通不顺畅。
水滴被弹起之后获得了动能，当上升到一定高度之后自然会下落碰撞超疏水表面。超疏水表面对水的黏附力极低，因此水滴在碰撞超疏水表面时不会因黏附而损失很多能量，并且会在表面弹跳[4]。
积攒在凸起之间的水蒸气让水滴跳了起来。图片来自：参考资料3
此外，碰撞时基底结构中的水蒸气又会助水滴“一臂之力”，从而水滴在每一次碰撞时都会获得一个加速度，进而越蹦越高，就像一个蹦床运动员一样。
和蹦床上的人一样，水滴也可以越跳越高。原视频来自T M Schutzius et al
水滴的跳动还可以带动悬臂进行持续的振动：
原视频来自T M Schutzius et al.
这个现象看起来不同寻常，不过它和日常生活中也能看到的另一个现象——莱顿弗罗斯特效应——也有相似之处。记得小时候，东北老家还在烧炕的年代，经常会看到水滴到炉子上，发出呲呲的声音。水滴在到处翻滚而不会润湿炉子，最终蒸发殆尽，这也是高温下水蒸气把水滴托起的结果。
莱顿弗罗斯特效应，在温度远超沸点的灼热表面上，蒸汽托起水滴并推动它移动。图片来自：itsokaytobesmart.com
“自动除冰”
除了蹦跳的水滴之外，研究者还向人们展示了更加酷炫的“冰滴飞起”现象。在同样的低压条件下，将过冷水置于超疏水表面上，随着时间推移，过冷水结冰，而“结冰+低压”同样可以导致一个加速蒸发的过程，从而推动冰滴，使它从表面上腾空而起。
原视频来自T M Schutzius et al.
对于需要预防结冰的表面，这种现象看起来是个好消息。不过，德国马普所的福尔默（Vollmer）教授指出，尽管这一系列工作很酷炫，但如何应用它还是个难题。尤其在户外的开放环境下，依靠降低气压来防止结冰很难操作[3]。
总之，这还是一项非常有趣的发现，它也让我们对超疏水表面上水滴的性质有了新的认识。（编辑：窗敲雨）
本文作者是英国伦敦大学学院化学系博士生陆遥，他所在的实验室也在进行超疏水材料方面的研究。更多阅读请看：超疏水材料新进展：出淤泥而不染，被刀划而不伤。
参考资料：
- Thomas M. Schutzius, Stefan Jung, Tanmoy Maitra, Gustav Graeber, Moritz Köhme & Dimos Poulikakos, Nature 527, 82–85 (2015).
- A. Cassie, S. Baxter, Trans. Faraday Soc. 40, 546–551 (1944).
- Doris Vollmer & Hans-Jürgen Butt, Nature 527, 41–42 (2015).
- Liu, Y. et al. Nature Phys. 10, 515–519 (2014).