烧得通红的铁勺上，滴上去的水珠不仅没有瞬间蒸发，反而像个小弹珠一样在表面不停滑动、“跳舞”，好几秒才慢慢消失？这就是大名鼎鼎的莱顿弗罗斯特效应—— 当液体接触远高于其沸点的固体表面时，会在底部形成一层蒸汽膜，把液体托起来，隔绝了直接接触，也让液滴的摩擦变得极小。
过去，我们只把这个效应当成一个有趣的物理现象，甚至在工业场景里，它还一度是个 “麻烦”—— 这层蒸汽膜会阻碍传热，也让能量回收变得困难。
但最近，国科大的研究团队，把这个 “麻烦” 变成了宝贝！他们巧妙利用亚稳态莱顿弗罗斯特效应，做出了一个能自己动的发电装置，不仅能把火电厂里被浪费的低品位余热变成电，还能把冷却塔排掉的水蒸汽也收回来循环用！
研究装置与工作机制示意图（来源：Joule 期刊论文配图）
在全球能源转型的当下，火力发电依然是我们经济发展的重要支撑。但你知道吗？传统的热循环过程里，足足有50% 的能量，都以低于 300℃的低品位余热的形式流失掉了！
更可惜的是，火电厂冷却塔排放的大量水蒸汽，过去也一直被我们忽略了 —— 这些水不仅带走了热量，还白白浪费了宝贵的水资源。
怎么把这些分布式的、低品位的能源捡回来？这是提升能源利用率、实现 “双碳” 目标的一道大难题。传统的回收技术要么成本太高，要么受限于莱顿弗罗斯特效应的界面阻碍，一直没法高效利用这些资源。
针对这个难题，国科大纳米科学与工程学院的博士研究生程鹏，在清华大学 / 北京清华长庚医院的李舟研究员、邹洋副研究员的指导下，提出了一个全新的思路：基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应的自驱动发电机（MLE-SEHD）。
简单来说，他们没有去 “消除” 莱顿弗罗斯特效应，反而反过来利用了它 —— 让液滴在蒸汽膜的托举下自己动起来，同时在这个过程里发电！
为了实现这个设计，团队首先制备了核心的自驱动莱顿弗罗斯特环（SPLR）：这个环用铝材料制成，内环加工了特殊的棘轮结构，用来给液滴提供定向的驱动力。
在样品制备的过程中，为了精准确认棘轮结构的形貌，以及后续氧化处理的效果，团队使用了尼康 LV100ND 金相显微镜对样品进行观察，确保每一个结构参数都精准匹配设计要求，为后续的液滴自驱动打下基础。
耦合发电的原理和性能表征（来源：Joule 期刊论文配图）
做好样品后，就到了实验验证的环节：团队将加工好的环加热到合适的温度，然后滴入一颗仅 30 微升的小液滴 —— 这时候，神奇的事情发生了：液滴在亚稳态的莱顿弗罗斯特效应下，没有悬浮不动，反而在棘轮结构的驱动下，开始在环里持续自转起来！
为了捕捉这个快速的运动过程，以及液滴和顶部铂电极之间的相互作用细节，团队使用了FASTCAM 高速摄像机来记录整个过程，把液滴的运动轨迹、界面的动态变化都完整保存了下来，为后续的机制分析提供了关键的可视化数据。
而在液滴不停运动的同时，发电也在同步进行！团队把动态非对称双电层发电，和水系原电池反应结合了起来：动态的 “固 - 液 - 气” 三相界面，打破了原来莱顿弗罗斯特效应的隔热屏障，让离子传输和热电转换都能高效进行。
实验结果惊艳了所有人：仅仅这一颗 30 微升的小液滴，就能连续产生超过 100 个脉冲直流信号，峰值电压达到了 1.552V，峰值电流密度更是高达 21.8A/m²！
搞定了单个液滴的发电，团队还不满足 —— 他们想把火电厂里的水蒸汽也利用起来。
于是，他们又研发了一套仿生集雾装置，模拟自然界里植物高效捕获水汽的过程，把这个装置和自驱动发电机集成到了一起。
这下，一个完美的闭环就形成了：
火电厂的低品位余热，用来驱动液滴自驱动发电；
而冷却塔排放的水蒸汽，会被仿生集雾装置捕获，重新变成液态水，变成下一次发电的 “液滴燃料”！
余热与水蒸气协同回收系统（来源：Joule 期刊论文配图）
也就是说，这个系统不仅能把原来浪费的余热变成电，还能把原来排掉的水蒸汽也收回来，循环利用，真正实现了低品位余热和水能的协同回收！
这项研究，不仅仅是做了一个小小的发电机这么简单。
它给分布式的工业低品位热能回收，提供了一个全新的原位策略 —— 不需要复杂的大型设备，就能把原来被浪费的能源捡回来。更重要的是，它给多能源的协同利用，提供了一个全新的范式，原来余热和水能可以这样一起回收，一起利用。
近日，这项成果已经在线发表在国际能源领域的顶级期刊《Joule》上，论文的第一作者是国科大纳米学院 2023 级直博生程鹏，通讯作者是清华大学 / 北京清华长庚医院的李舟研究员和邹洋副研究员，该工作也得到了国家自然科学基金等项目的资助与支持。
未来，这项技术如果能推广到火电厂、各类工业余热场景，说不定就能帮我们把那些被浪费了几十年的能源，一点点都捡回来，为 “双碳” 目标，添上重要的一笔！