地震是一种对人类危害巨大的自然灾害，目前我们还无法预测地震，因此最有效的应对手段莫过于加固房屋，降低房屋在地震中倒塌的概率。为了达到这一目标，科学家们进行了长久的研究，目前也已经有不少有效的工程措施应用在建筑上，比如在建筑中添加橡胶隔震垫等。但最新的一项研究中，科学家发现，仅靠一些小小的水滴就能调控振动的强度，甚至有可能减轻地震带来的危害。
水滴示意图
（图片来源：veer图库）
这个由中国科学院化学研究所宋延林研究员团队开展的研究表明，水滴可以在不同的表面图案上选择性地出现增强或减弱振动的效果，并且还能调控振动方向，可以起到机械传动装置的作用。相关成果发表于Nature Communications期刊。
见证一下水滴减振的奇迹
我们用一个可以水平振动的振动台模拟地震，把三层的结构堆叠起来模拟地震中的三层小楼（最底层的结构被固定在振动台上，类似于地基，层间直接堆叠，无固定装置），逐渐增加振动台的振幅，记录三层结构倒塌时的临界振幅。由于地震中水平振动的破坏性大于竖直振动，因此这里我们只考虑水平振动的影响。当振幅增至276 ± 38 μm时，微结构层间的剪切力达到临界值，结构倒塌，这与地震中建筑物的倒塌情况类似。
那么，如果在结构下方放四个水滴，制造一层液体的“地基”会怎么样呢？
我们在超疏水（也就是对水粘附力很小）的振动台上制备四个葫芦形的超亲水图案（也就是说这些图案对水的粘附力很大），在这四个图案上分别放置四个水滴，在水滴上再放置一块薄板，最后把三层建筑的底层固定在薄板上。
当我们给振动台施加水平振动时，奇迹发生了，振幅增加到481 ± 93 μm时结构才会发生倒塌，这一振幅达到了原先的1.8倍。也就是说，葫芦形亲水图案和水滴组成的系统能提高抗震稳定性，使得“建筑物”能承受更强烈的振动而不发生倒塌。是水滴吸收了振动的能量吗？是，但不完全是。作为对照组，我们在振动台上制备了四个圆形的超亲水图案，并按照同样的方式放置水滴、薄板和微结构，振幅达到160 ± 26 μm时微结构就发生倒塌，也就是说，圆形亲水图案和水滴组成的系统反而使“建筑物”变得更容易倒塌了。
减振的秘密究竟是什么？
水滴为什么能减振
上述“奇迹”的根本原因就是基底上的亲水图案对水滴振动行为的调控作用。当把水滴放在亲疏水程度不同的基底上时，水滴会优先占据亲水区域，固液接触线的形状由亲水图案的形状决定。因此，亲水图案可以调控水滴的形貌，进而调控其振动行为。
先考虑最简单的情况，把水滴放在一个圆形亲水图案上（蓝色为亲水区域，黄色为疏水区域），然后给振动台施加水平振动，用高速相机记录水滴的振动行为。如动图所示，水滴的边缘被圆形图案的边缘钉扎住，而上半部分则发生振动，此时水滴最高点的振幅大于振动台的振幅。因此，圆形图案会增大水滴的振幅，使得微结构更容易倒塌。
圆形亲水图案
圆形图案上水滴振动行为
如果把圆形图案换成哑铃形会如何呢？哑铃图案可以分解为两个圆和一个长方形，两个圆可以视为两个容器，而中间的长方形则可以视为连接两个容器的通道，施加振动时，水滴中的液体会在两个容器之间往复流动，也就是说，水滴的最高点会在左侧和右侧的圆之间往复运动。相比于圆形图案，哑铃形图案上水滴最高点的水平振幅减小了，但是仍不足以达到减振的效果。
哑铃形亲水图案
哑铃形图案上水滴振动行为
我们在哑铃形图案的基础上进行一些改进，把哑铃两侧等大的圆形换成一大一小两个圆形，把长方形通道换成梯形通道，变成一个类似于葫芦的形状。在葫芦形图案上放置水滴，由于拉普拉斯压力的作用（拉普拉斯压力是指液体表面的压力差，这个压力差由曲率决定。具体来说，曲率越大的地方，压力就越大），大部分液体会分布在大圆上，小部分液体分布在小圆上，水滴的最高点位于大圆上方。
开始振动时，水滴会在两个容器（大圆和小圆）之间来回输运，小圆起到分流液体的“水库”的作用。当基底向左运动时，水滴受到向右的惯性力，大圆中的部分液体流入小圆，水滴高度降低；当基底向右运动时，水滴受到向左的惯性力，小圆中的部分液体流入大圆，水滴高度增加。由于水滴的最高点始终位于大圆上方，因此水平振动的振幅大大降低。也就是说，葫芦形图案上的水滴能减小水平振动的振幅，将其转化为破坏性更小的竖直振动，从而提高系统的抗震稳定性。
葫芦形亲水图案
葫芦形图案上水滴振动行为
不但能减振，还有更多用途！
利用亲水图案对水滴振动行为的调控作用，就有了前面实验中的结果。
直接固定在固体基底上的微结构在振幅为276 ± 38 μm时倒塌；圆形图案阵列上的水滴增强水平振动，因此微结构倒塌时的振幅降低至160 ± 26 μm；葫芦形图案阵列上的水滴削弱水平振动，因此微结构倒塌时的振幅提高至481 ± 93 μm。水滴形成的“液体地基”能够调控振动强度，有可能减轻振动对建筑物的危害。
水滴形成的“液体地基”调控振动强度
当然了，这一发现目前离实际应用还有不小的距离，我们暂时还不能将建筑物建在几个小水滴上。但是，利用亲水图案调控水滴振动行为的规律具有普适性，我们能通过设计图案形状和排列方式，使水滴表现出更丰富的行为。
我们发现，当基底上的图案形成一个平移对称的图案阵列时（比如前面用到的圆形阵列和葫芦形阵列），每个图案上的水滴振动方向相同，给薄板施加同向的作用力，驱动薄板发生平动；当基底上的图案方向不同时，水滴的振动方向不同（确切地说是振动相位不同），给薄板施加的作用力方向不同，薄板受到扭矩的作用，发生转动。
根据这一原理，我们设计了六种不同的图案阵列，使薄板分别实现了沿x轴、y轴、z轴的平动和绕x轴、y轴、z轴的转动。也就是说，在输入固定的一维振动的情况下，仅仅变换基底上亲水图案的形状和排列方式，水滴就能将振动台的一维振动转化为三维、多模式的振动。在这里，水滴发挥了与齿轮、铰链等机械结构类似的作用，实现了振动传动的功能。
把水滴作为振动传动装置，我们探索了它在减振以外的应用。例如，水滴输出不对称振动时，上层薄板发生单向倾转，起到“传送带”的作用，可以用于物体定向输运；水滴输出多模式振动时，上层平板有不同的振动模式，起到“调制器”的作用，可以反射激光得到不同轨迹。
结语
一滴水中也有万千世界。亲水图案还能调控水滴表现出什么行为？水滴的振动行为又还能有什么应用？这些仍处于探索之中。或许在不久的将来，水滴的种种行为真的能应用于建筑减振等领域，我们也能对水滴的秘密有更多了解。
作者：薛銮栾 李会增 宋延林
作者单位：中国科学院化学研究所（除注明来源的图片，本文中的图片和视频均由作者提供）