滴水不僅能穿石，還能發(fā)電

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？水滴身上到底蘊藏著多大的力量呢？

水滴的力量

我們在洗手的時候，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痛。所以，要了解水滴的力量，相比起一滴水，計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于自由落體運動狀態(tài)，最終速度大約為10米/秒。每場降雨的強度不同，單位時間內落到地面的雨滴的質量也不同，為了便于計算，我們采用2017年臺風“哈維”期間美國休斯頓的降水量作為基準：每小時降水量約為1.3厘米。簡單計算可知，這種情況下，每小時大約有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，質量為13千克）。

根據(jù)動能公式E=mv /2，這一個小時內降落到平板上的所有雨滴的總動能為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，如果將一小時大暴雨在一平方米的地面上落下的雨滴的動能全部轉化為電能，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，而且水滴的動能也幾乎不能百分百轉化成電能，用水滴發(fā)電的想法實在是太異想天開了。但最近，還真有科學家想出了用水滴發(fā)電的好方法。

由中國科學家領銜的研究團隊用兩個別出心裁的設計完成了這款水滴發(fā)電機。單個水滴的能量小，但是許多水滴匯聚在一起就有了巨大的力量，所以研究團隊首要解決的問題是如何將水滴聚在一起。此前，研究團隊發(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，當水滴持續(xù)不斷地撞擊薄膜時，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，薄膜就能夠儲存高密度的表面電荷。

那么要如何利用這些電荷進行有效發(fā)電呢？將所有電荷一次性釋放出來才能變成巨大的電能，而這就要歸功于水滴發(fā)電機的巧妙結構了。整個水滴發(fā)電機主要由一個鋁電極和一個表面覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成，這個結構的創(chuàng)意來源于1956年獲得諾貝爾物理學獎的場效晶體管（FET三極管）的結構。三極管由柵極、源極、漏極三個極組成，通過控制柵極，就能控制源極和漏極之間是否連通，從而進一步控制電荷的流動。在新研發(fā)的水滴發(fā)電機中，PTFE/ITO電極與鋁電極就類似于三極管中的源極和漏極，它們的開關狀態(tài)由水滴來控制。

水滴剛剛墜落到PTFE薄膜表面時，由于總量較少，不會與鋁電極接觸，電路處于未接通狀態(tài)。隨著下落的水滴越來越多，慢慢匯聚成了一個小水洼，并且逐漸擴散到了鋁電極上。由于水滴也具有導電性，它就像一根導線接通了之前不相連的PTFE/ITO電極和鋁電極，形成了一個連通的電路。然后，此前薄膜積聚的所有電荷就在電路中流通了起來。在這個過程中，水滴不只是發(fā)電系統(tǒng)的能量來源，還是整個發(fā)電機的開關。運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計的普通水滴發(fā)電機高了數(shù)千倍。在實驗中，一滴100微升的水滴從15厘米的高度滴到這個發(fā)電機上，可以產(chǎn)生超過140伏特的電壓，發(fā)電機產(chǎn)生的電能足以點亮100盞小LED燈。更厲害的是，這個發(fā)電機適用范圍很廣泛，不論是雨水、自來水或是海水，都能通過該發(fā)電機轉化成電能。

目前，水滴發(fā)電機的轉化效率還不高，它只能將水滴動能的2.2%轉化為電能，還需要更多的改進和優(yōu)化。但是，水滴發(fā)電機仍有著廣闊的前景，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）