林坤

我們常用“水滴石穿”來描述有恒心有毅力的人最終成功的故事，那么水滴真的能穿石嗎？水滴身上到底蘊(yùn)藏著多大的力量呢？

水滴的力量

我們在洗手的時(shí)候，都感受過水滴的力量，一滴水滴在手上我們沒有什么感覺，而一股水流的沖擊則能讓人有點(diǎn)痛。所以，要了解水滴的力量，相比起一滴水，計(jì)算一股水流要容易一些，讓我們一起算一算天然的水流——雨水的能量吧。

雨滴從空中落下的過程中受到空氣阻力和重力的作用，離地面越近，重力的影響越大，雨滴落到地面的最后幾秒鐘相當(dāng)于自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最終速度大約為10米/秒。每場降雨的強(qiáng)度不同，單位時(shí)間內(nèi)落到地面的雨滴的質(zhì)量也不同，為了便于計(jì)算，我們采用2017年臺(tái)風(fēng)“哈維”期間美國休斯頓的降水量作為基準(zhǔn)：每小時(shí)降水量約為1.3厘米。簡單計(jì)算可知，這種情況下，每小時(shí)大約有13千克的水落在1平方米的平板上（雨水體積為100厘米×100厘米×1.3厘米=13000立方厘米=13立方分米=13升，質(zhì)量為13千克）。

根據(jù)動(dòng)能公式E=mv /2，這一個(gè)小時(shí)內(nèi)降落到平板上的所有雨滴的總動(dòng)能為650焦耳。這是什么概念呢？家用燈泡的功率為30～50瓦，即每秒消耗的電能為30～50焦耳，如果將一小時(shí)大暴雨在一平方米的地面上落下的雨滴的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電能，僅能使燈泡亮上十幾秒。

水滴發(fā)電的妙法

這樣看來，水滴的能量還是太小了，而且水滴的動(dòng)能也幾乎不能百分百轉(zhuǎn)化成電能，用水滴發(fā)電的想法實(shí)在是太異想天開了。但最近，還真有科學(xué)家想出了用水滴發(fā)電的好方法。

由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)用兩個(gè)別出心裁的設(shè)計(jì)完成了這款水滴發(fā)電機(jī)。單個(gè)水滴的能量小，但是許多水滴匯聚在一起就有了巨大的力量，所以研究團(tuán)隊(duì)首要解決的問題是如何將水滴聚在一起。此前，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種可以長期保有電荷的永電體材料——聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，當(dāng)水滴持續(xù)不斷地撞擊薄膜時(shí)，摩擦起電產(chǎn)生的表面電荷能夠不斷在薄膜中積累，直至飽和。這樣，經(jīng)過液滴的連續(xù)撞擊后，薄膜就能夠儲(chǔ)存高密度的表面電荷。

那么要如何利用這些電荷進(jìn)行有效發(fā)電呢？將所有電荷一次性釋放出來才能變成巨大的電能，而這就要?dú)w功于水滴發(fā)電機(jī)的巧妙結(jié)構(gòu)了。整個(gè)水滴發(fā)電機(jī)主要由一個(gè)鋁電極和一個(gè)表面覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成，這個(gè)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意來源于1956年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的場效晶體管（FET三極管）的結(jié)構(gòu)。三極管由柵極、源極、漏極三個(gè)極組成，通過控制柵極，就能控制源極和漏極之間是否連通，從而進(jìn)一步控制電荷的流動(dòng)。在新研發(fā)的水滴發(fā)電機(jī)中，PTFE/ITO電極與鋁電極就類似于三極管中的源極和漏極，它們的開關(guān)狀態(tài)由水滴來控制。

水滴剛剛墜落到PTFE薄膜表面時(shí)，由于總量較少，不會(huì)與鋁電極接觸，電路處于未接通狀態(tài)。隨著下落的水滴越來越多，慢慢匯聚成了一個(gè)小水洼，并且逐漸擴(kuò)散到了鋁電極上。由于水滴也具有導(dǎo)電性，它就像一根導(dǎo)線接通了之前不相連的PTFE/ITO電極和鋁電極，形成了一個(gè)連通的電路。然后，此前薄膜積聚的所有電荷就在電路中流通了起來。在這個(gè)過程中，水滴不只是發(fā)電系統(tǒng)的能量來源，還是整個(gè)發(fā)電機(jī)的開關(guān)。運(yùn)用匯聚電荷和集中放電的方法，小小的水滴也能產(chǎn)生較大的電能，發(fā)電效率比沒有鋁電極設(shè)計(jì)的普通水滴發(fā)電機(jī)高了數(shù)千倍。在實(shí)驗(yàn)中，一滴100微升的水滴從15厘米的高度滴到這個(gè)發(fā)電機(jī)上，可以產(chǎn)生超過140伏特的電壓，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能足以點(diǎn)亮100盞小LED燈。更厲害的是，這個(gè)發(fā)電機(jī)適用范圍很廣泛，不論是雨水、自來水或是海水，都能通過該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。

目前，水滴發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率還不高，它只能將水滴動(dòng)能的2.2%轉(zhuǎn)化為電能，還需要更多的改進(jìn)和優(yōu)化。但是，水滴發(fā)電機(jī)仍有著廣闊的前景，未來我們也許能將雨傘制成充電寶，再結(jié)合太陽能電池，這樣無論是晴天還是雨天，我們都能得到穩(wěn)定又清潔的能源了。

（劉雯摘自《大科技》2021年第8期）