29岁马普所中国学者首次证明自生静电可影响液滴运动，打开表面浸润性设计新大门！将改...
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麻省理工科技评论-29岁马普所中国学者首次证明自生静电可影响液滴运动，打开表面浸润性设计新大门！将改善生活中多种应用场景对液滴运动的控制
她叫李晓玫，生于广西南宁。本科毕业于天津大学化工学院，后在电子科技大学基础与前沿研究院读硕。毕业后，她来到德国马普高分子所汉斯-于尔根·巴特（Hans-Jürgen Butt）教授团队攻读博士学位，将于 2022 年博士毕业。
引入一种“神秘的额外力”
人们通常觉得水滴在物体表面上的运动很容易理解。实际上，关于作用在滑动液滴上的力，仍有许多悬而未解的问题。
雨滴打在车窗后滑落是生活中很常见的现象。即使在今天，也没有人能够准确预测水滴在挡风玻璃上的运动方式。然而，预测水滴的运动在许多领域都很重要。
到目前为止，科学家们一直认为物体表面涂层顶部的几个分子层决定了其浸润性，进而决定液滴在物体表面上的运动。例如，液滴在固体表面形成球形还是扁平形状取决于表面的浸润性。
如果液滴喜欢物体表面，它会将自己平铺在表面上以尽可能多地接触。如果液体不喜欢物体表面，就像众所周知的荷叶效应一样，会卷曲起来，形成半球或者球状。同样，当液滴移动时，液滴内部的粘性摩擦 - 即各个水分子之间的摩擦，会影响其运动。
先前人们的理解是，液滴运动是由粘性耗散和激活动力学决定的。在这里，该团队证明了这两种效应并不能完全解释滑动或冲击液滴的复杂路径。为了准确地确定运动液滴所经历的力，李晓玫等对它们沿着倾斜表面滑动时的轨迹进行了成像，并应用了相关的运动方程。
概括来说，巴特团队发现，毛细力和粘滞力都无法完全解释液滴在不同物体表面运动速度的差异。尤其是液滴在涂覆有相同涂层的不同基材上时，具有不同的运动速度，且在相同表面和基底上运动液滴的数目影响其运动速度这些事实。
因此，该团队首先引入了一种神秘的“额外力”。为了追踪这一“额外力”，李晓玫用高速相机记录了一场液滴赛跑，并用 Matlab 软件分析计算液滴运动的速度和加速度曲线来计算这一额外力。
结果非常惊人：计算出的“额外力”与该团队通过静电摩擦产生的电荷量建模计算的静电力一致。
在应用上，这一结果将改善生活中对液滴运动的控制：从打印、微流体、到基于液滴滑动或撞击的微型发电机发电。
十几个标题和四次讨论
论文从立项到发表一共经历了一年半的时间，其中审稿花了半年。李晓玫说：“如此高效的研究得益于三支团队的高度合作。即使该研究始于欧洲新冠肺炎大流行最严重的时期，所有团队依然坚持每个月进行线上会议，交流各自的进展并分析实验结果。固定的会议时间，也间接地给阶段性的任务设置了截止时间。”
其中，巴特教授首先提出从液滴运动方程中提取静电力的想法，于是该团队的吕迪格·伯杰（Rüdiger Berger）博士、李晓玫和亚历山大·萨尔（Alexander Saal）负责实验仪器的搭建、样品的制备、液滴滑动实验测量及数据分析。其他合作团队则负责静电的测量和计算、静电力模拟、液滴运动的直接数值漫反射界面模拟等。
李晓玫表示：“我们一共个给论文取了十几个标题，为讨论文章标题开了四次会。最早关注这篇文章预印版的读者会发现这篇文章的第一个标题是‘Drop race:How electrostatic forces influence drop motion’，这个标题来至于第一次会议讨论。”
在提交稿件前，他们将稿件发给香港城市大学机械工程系教授王钻开阅读，对方首先建议修改文章的标题，于是又第二次开会讨论，但还是决定不修改标题。第一轮审稿后，Nature Physics 的编辑表示标题不符合 Nature Physics 标题的主流，于是他们第三次开会讨论修改标题。
第二轮审稿后，为了更好地告知其中一位审稿人该工作的主要创新点，他们第四次开会修改文章的标题，最后确定用“Spontaneous charging affects the motion of sliding drops”。
“虽然论文标题从最初版本到最后版本，所表达的意思几乎差别不大，但是其中经历的十几个标题和四次讨论，也让我们希望通过论文传达给读者的主要科学发现做出了更清晰的定位。”李晓玫表示。
目前，基于液体与固体之间的摩擦带电现象及其应用的研究有很多，然而固体与流体之间摩擦带电的机制依然存在很大的争议。与固体/固体摩擦带电机制相似，液体/固体摩擦带电的可能机制有：电荷传输，离子传输和物质传输。
因此，该团队的后续研究会专注于理解液体/固体摩擦带电的机制、及其产生的现象，并探寻其可能的应用。
李晓玫还有半年即将 29 岁，她说：“相比很多跟我同届或者同年龄的直博生、硕博连读生、或者天才型跳级生，我并没有年龄优势，但也不着急和焦虑。如果我 2/3 的人生都要从事科学研究，那么每一次的学习、进步和积累都将加速我进入科学研究的下一阶段。”
她说，自己在硕士毕业时，还没有发表一篇国际论文，但在毕业的前一年已经拿到了几个海外课题组的博士 offer，因为那时她已经掌握了大部分的科研必备技能，这也得益于其硕士所在课题组——电子科技大学基础与前沿研究院教授邓旭团队提供的自由平等的科研氛围（该团队曾于 2020 年刊发过一篇 Nature 封面论文）和丰富的合作资源。
李晓玫继续说道：“硕士阶段的积累加速了我博士阶段的学习，我因此也将在三年合同期内拿到博士学位。在即将博士毕业之际，我的博士生导师 Prof. Hans-Jürgen Butt 和 Dr. Rüdiger Berger 建议我在不同课题组继续博后研究，取得国内外同行认可、并找到自己想要独立继续研究的方向之后，再回国内发展。对此我深以为然，只要还有需要通过博后学习的地方，我就会继续下去，同时也很珍惜仅剩不多的能以学生身份学习的机会。”
-End-
1、Li, X., Bista, P., Stetten, A.Z. et al. Spontaneous charging affects the motion of sliding drops. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01563-6
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