弹跳的雨滴能留下或带走多少热量？
澳门威尼斯人注册网站研究煤烟和鸭毛可能会带来更暖和的雨衣和其他创新
芭芭拉·莫兰为波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究中心撰写。图片由Samira Shiri提供
几十年前，澳门威尼斯人注册网站研究人员描述了一种有趣的自然现象，他们迷人地称之为“莲花效应”。某些表面，如荷叶，在我们的眼睛看来是光滑的，但在显微镜下却非常粗糙，几乎完全排斥液体。把水滴到叶子上，它就会凝结起来，闪闪发光，使叶子表面干燥。
这种特性被工程师们称为“超疏水”，从屋顶瓦到防水衣服，它在许多应用中都很有用，詹姆斯·伯德和萨米拉·希里想更好地了解它。Bird是波士顿大学工程学院（ENG）机械工程和材料科学与工程助理教授，Shiri （ENG ' 18）是机械工程博士候选人，他们对超疏水材料的一个特殊性质：热交换很感兴趣。由于液体从这些表面弹回的速度如此之快，液滴有时间留下任何热量或冷吗？这很重要，因为即使是少量的热或冷，也会迅速累积并影响材料的性能。他们的澳门威尼斯人注册网站研究结果发表在2017年6月19日的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，澳门威尼斯人注册网站研究结果令人惊讶地发现，较小的液滴比较大的液滴传递的潜在热量更大，并且地下的材料特性很重要。当他们测试一种自然产生的材料——鸟类羽毛时，结果成立，为生态学和生物启发设计的更广泛讨论打开了大门。
《美国国家科学院院刊》论文的通讯作者伯德说：“这是一项基础工作，我们只是在一个我们认为有趣的领域里摸索了皮毛。”“当遇到雨时，人们经常寻找避雨处或穿上雨衣。鸟类没有这些选择——尤其是在迁徙的时候——它们可能会死于体温过低。我们正试图提出一些新的方法来思考这类系统中的传热问题。”
澳门威尼斯人注册网站研究结果具有重要的工程意义：例如，喷雾冷却剂在制造过程中用于冷却电子设备，但飞机机翼和电力线上的冷雨会变成危险的冰。工程师们的工作可能会带来新的超疏水材料，更好地控制热交换，甚至是生物启发设计，可以产生更温暖、更透气的户外服装。
“对我们来说，将我们的发现与现实世界联系起来是最有趣的，”美国国家科学院院刊论文的主要作者Shiri说。“我认为这是最难的部分，也是更有趣的部分。这一直是我们的目标。”
Shiri开始的澳门威尼斯人注册网站研究是用覆盖着一层薄薄的煤烟的玻片，它提供了一个粗糙的，防水的表面。她将一滴水滴到载玻片上，在水滴反弹的过程中拍摄高速照片，用普通相机拍摄速度为每秒1万帧，用热成像设备拍摄速度为每秒200帧。这些照片，加上几个月来呕心沥血的点滴，使她能够量化大大小小的、冷的和热的点滴的热量传递。正如预期的那样，传递的热量很小：在毫焦耳的数量级上。(1焦耳是将1克水的温度提高到0.24℃所需的热量；一毫焦耳是它的千分之一，或者，用外行人的话来说，是一点点。)
这些数字都很好，但它们提出了更多的问题：这一点点热量究竟是如何通过烟灰传递到玻璃上的？是烟灰本身的问题，还是烟灰只是像灯芯一样，把热量传递给下面的玻璃？他们决定一探究竟。烟灰即灯芯模型预测，如果工程师用橡胶或木材等绝缘材料取代玻璃基板，弹跳的水滴传递的热量会减少。当他们用橡胶和木头做实验时，这个假设得到了证实——即使在一层烟灰下，材料也会产生影响。
他们还发现了一些奇怪的现象：小液滴比大液滴传递的潜在热量更大，即使它们接触表面的时间更短。工程师们发现，水滴在第一次撞击物体表面时传递的热量最多，然后随着时间的推移逐渐减少。
有了初步的结果，工程师们决定在天然的超疏水表面——鸭羽毛上进行测试，用流动的水滴来模拟倾盆大雨。“如果你被雨淋了，通常不是一滴。我们这里讨论的不仅仅是1毫焦耳的能量。我们谈论的是一个整体，”伯德说。“这开始累积起来。”
“不是所有的动物都是超疏水的。鸟类是少数具有这种特性的动物之一，”伯德补充说，他指出，科学家们“逐渐形成共识”，即动物最初进化出羽毛可能不是为了飞行，而是为了防止热量散失。为了看看这个想法是否站得住脚，Shiri用在亚马逊上订购的灰鸭羽毛做了一个水滴实验。Shiri说：“为了在羽毛和水滴之间有更大的温差，我们决定在实验室外面寒冷的一天做实验。”Shiri在实验室旁边的停车场里设置了她的仪器，温度徘徊在4°C（39°F）左右。为了增加真实感，Shiri加热羽毛的底部来模拟鸭子的体温，然后将冰水滴在羽毛上，模拟新英格兰的倾盆大雨。她发现超疏水羽毛的性能与煤烟覆盖的玻璃相同。Shiri说：“我们想看看我们澳门威尼斯人注册小水滴的发现是否真的正确。”“我们观察到，在我们有较小的下降影响的地方，与较大的下降相比，我们有更多的温度下降。这挺酷的。”
伯德很快指出，他和希里都不是生态学家——“我不知道我们的发现对生态学有多大用处，”他笑着说。但他希望，至少，这可能会导致一些跨学科的对话和仿生设计。
“很多非常有趣的材料都是受生物启发的，”伯德说。“鸟类有很长一段时间来优化羽毛的各种用途，包括热调节。如果我们希望我们的帐篷、雨衣或户外装备更透气，同时也更温暖，那么考虑像羽毛这样的自然情况可以帮助我们指导这些类型的设计。”