作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/22 9:18:54
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太阳能板脏了咋整?别急,自清洁系统来了

 

■本报记者 张晴丹

过去十几年,香港理工大学机械工程系教授王钻开一直在思索一个问题——如何让物体表面实现自清洁功能。例如我国西部的太阳能板蒙尘后性能会大打折扣,而当地缺水又给清洁工作增加了难度。如果太阳能板能自己变干净,那该多好。

有趣的是,受蜜蜂的启发,王钻开终于将这个想法落地了。王钻开团队与中山大学先进制造学院副教授吴嘉宁合作,构建出一款弹性仿生刚度梯度弹射器,并开发出仿生机器人,能与太阳能板相结合形成自清洁系统。

近日,相关研究论文发表于《自然-纳米技术》。

一把神奇的“梳子”

对大自然有着细腻观察力的王钻开,在小蜜蜂身上捕捉到一个神奇的现象。

很多昆虫的前肢上都有一把“梳子”,例如蚂蚁用“梳子”清洁完触角后,会使用口器对“梳子”进行清洁,以便下一次使用,而蜜蜂却很少有清洁“梳子”的行为。蜜蜂在无数花朵上停留采集花蜜和花粉,虽然经常用这把“梳子”清洁触角,但不用清理“梳子”便可立马飞向下一朵花继续工作。

“我们怀疑蜜蜂有自清洁的本领。”论文通讯作者王钻开对《中国科学报》说。但蜜蜂太小了,仅靠肉眼观察很难窥其真谛。于是,他们进一步做微观表征,用高速摄像机拍下蜜蜂清洁触角的过程,结果发现蜜蜂前肢上的“梳子”刷完触角后,粘在上面的颗粒会瞬间被弹出去。

“这一切发生在几毫秒之内,颗粒是以很高的加速度弹出去的,因此我们猜测蜜蜂的自清洁能力是利用了一种弹射机制,而非重力作用下的自由落体运动。”论文第一作者、香港城市大学机械工程系博士张威在接受采访时说。

研究人员进一步揭示其机理发现,“梳子”由很多梳毛组成,每根梳毛长约38微米,上面有跨越近两个数量级的刚度梯度,其尖端是软的,但到根部逐渐变硬。当刷触角时,“梳子”弯曲变形储存弹性能量,那些精妙的刚度梯度结构可增大弹性能量的储存,加速弹性能的释放,缩短能量“爆发”的时间,产生并输出更大的惯性力,以克服黏附力,将花粉和灰尘颗粒飞速弹出去。

破解弹射机制后,王钻开团队要做的就是把设计如此精妙的微观结构在宏观层面上实现。而要提高清洁效率,就需要设计类似的刚度梯度。这一点十分困难。

一般的材料都是同质的,研究团队尝试了多种方法,经历了多次失败后才让材料最终实现了渐变,并制造出仿生刚度梯度弹射器,其杨氏模量从尖端的2兆帕逐渐增加到根部的150兆帕,能真正实现“居尘不染尘”。

在此基础上,他们还开发出自清洁机器人。很多户外大型基础设施都受灰尘的困扰,维护所需成本颇高,如果能在这些设施上布置自清洁机器人,便可一劳永逸。比如在太阳能板上安装自清洁机器人后,既省成本,还可长期维持表面清洁,保障稳定的电能供应。

这样的设计思路也为生物材料、功率调制以及能量转换等领域的研究提供了重要参考。

一滴水逆转科研生涯

王钻开已连续两年入选科睿唯安全球高被引科学家。而在十几年前,导师曾对他说:“你不适合读博,也不适合做科研。”

2003年,本可以在国内硕博连读的他,选择出国深造,拿到了美国波士顿大学的录取通知书。

当时,王钻开觉得,微电子代表着先进科学的方向,是时髦专业,也好找工作。于是在第一学期,他选的都是射频电路、集成电路等和所在机械系不太相关的课程。由于英语听力存在短板,再加上此前从未接触过这些课程内容,王钻开几次考试成绩都不理想。

因为学习达不到要求,导师让他换课题组,相当于被“开除”了。很快,王钻开转到一位新入职的年轻老师组里,成为其第一名博士生。但新导师安排的课题是用纳米压痕测量水凝胶的力学性能,这让好不容易从机械转到微电子的王钻开大失动力。于是,眼高手低的他自作主张做起了别的课题,由于实验能力太差,几乎毫无进展。

实验室简陋、设备不齐全,这让曾在国家重点实验室工作过的王钻开有了很大的心理落差,产生了消极怠工的情绪。不久后,王钻开又被新导师“扫地出门”。

但他心有不甘,又给多国高校发出上百封申请信,最终申请到美国伦斯勒理工学院教授Nikhil Koratkar2004年秋季的博士。

一年半换了3个实验室,经历一连串打击的王钻开变得敏感,很害怕再次被“开除”。在高压的笼罩下,王钻开各方面都表现不佳,课题也止步不前,这又让导师产生了撵人的想法。

眼看着刚刚打开的窗户又要关闭,王钻开提醒自己一定不要再次错失机会。

一次偶然的机会,王钻开从本校材料系获得了一些碳纳米管样品。他本能地将一滴水放在碳纳米管表面,小水珠呈现出荷叶上的球状,格外晶莹剔透。这种现象叫荷叶效应,虽然已有人在该领域做出开创性研究,但对王钻开来说却是第一次接触到。

“我在液滴上加了两伏电压,液滴完全铺开并浸润到碳纳米管里面。当我把反向电压加到100伏时,液滴却没有任何变化。我立即把这一现象告诉了导师,他兴奋极了,甚至认为这个发现可以发《自然》。”王钻开说。

一滴水让王钻开的科研生涯发生了逆转,他重拾信心和动力,全身心扑在科研上,最终这项研究发表在《纳米快报》上,并获得了“全美杰出材料研究生银奖”和“国家优秀自费留学生奖”,甚至还被诺贝尔奖得主K. S. Novoselov在其《自然》论文中引用。

一个相对“冷门”领域的回暖

博士顺利毕业后,王钻开并未留在美国发展,而是选择回国。

2009年底,王钻开入职香港城市大学,拿到20万元港币的启动经费,当时他的实验室不足10平方米。“辗转美国3个实验室的经历,让我明白,科研并不仅仅是拼设备,更多的是思想的竞赛,用最少的钱产出更多的新知识、新思想、新体系。”王钻开说。

对科研的重新认知也让他不再抵触老本行。机械工程已有200多年历史,是一个相对“冷门”的学科,这个领域几乎与顶级学术期刊绝缘。王钻开说:“做‘冷门’研究,难度系数更大。但‘风浪越大,鱼越贵’,我很想把这样一个相对‘冷门’的领域复活。”

这些年,王钻开真的把这门古老的学科做出了新花样。

2014年,他发现一滴水能呈饼状从表面弹起,并揭示了液体和固体相互接触最短时间的极限,这一研究成果入选吉尼斯世界纪录,也被《自然-物理学》评为过去15年15篇代表论文之一。

2020年,他发现一滴水可以发电,一滴雨水的动能可点亮100个小LED灯,这项研究发表在《自然》。这一年,他获得了“科学探索奖”。

2022年,他加入了香港理工大学。

如今,王钻开在《自然》《科学》等期刊发表论文200余篇,被引1.9万多次。在被大家“吐槽”为“天坑”之一的机械工程专业,王钻开用实际行动和杰出成绩扭转了“口碑”,让其魅力和前景被更多人看到,“冷门”逐渐转变为“热门”。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01524-x

《中国科学报》 (2023-11-22 第1版 要闻)
 
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