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当液体与温度远超其沸点的固体表面接触时，其底部会产生一层稳定连续的蒸汽层隔断表面与液体的直接接触，避免液体剧烈的接触沸腾，这就是莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）。当莱顿弗罗斯特效应发生时，液体完全悬浮于蒸汽层上，蒸汽润滑作用下液体运动面临极低的运动阻力，从而使其运动速度和运动距离得到极大提升。莱顿弗罗斯特效应中液体的高度运动性和近乎无摩擦损失的特性在微流控芯片、新型热机和可控化学反应等需要高效流体操控的场景具有重要应用价值。通常认为实现蒸汽驱动的莱顿弗罗斯特弹跳需将表面温度维持在较高的水平（230℃左右），而维持此种程度表面高温所需热量却为对应110℃表面的2.3倍。因此，如何在不影响液体与表面接触状态前提下，降低莱顿弗罗斯特效应所需热量输入成为值得研究人员关注的问题。
弗吉尼亚理工大学机械工程系程江涛教授与大连理工大学机械工程学院的赵磊副教授以及美国橡树岭国家实验室合作，在微纳结构表面调控相变传热方面取得重要突破和成果。该成果近期以“Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces”为题，发表在《Nature Physics》上。论文第一作者黄文格同学本科毕业于西安交通大学，现为弗吉尼亚理工大学机械工程系博士研究生。
1. 新现象：本工作在硅片表面构筑了鱼鳍状的微柱阵列，可以在130 ℃的低表面温度下实现蒸汽驱动的表面液体快速弹跳。液滴从变形到脱离表面仅需1.33 ms。当降低微柱阵列高度时，液滴从蒸汽驱动的莱顿弗罗斯特弹跳转变为较为缓慢的振荡弹跳模式（脱离时间960 ms）。
图1. 疏水微柱表面上的莱顿弗罗斯特液滴跳跃
2. 新机制：本工作发现蒸汽泡与液滴底部热边界层之间的相互作用影响气泡的扩张模式，进而决定了液滴的运动行为。具体而言，微柱阵列高度较大时，其类似肋片的传热强化作用会在液滴底部产生厚度较大的热边界层，进而为蒸汽泡的惯性驱动扩张创造一个完整的过热环境；微柱阵列高度较小时，液滴底部产生的热边界层较薄。成核后的蒸汽泡在扩张时会超出热边界层范围，与外部过冷液体接触发生局部冷凝与坍缩，导致液滴出现振荡弹跳。
图2. 莱顿弗罗斯特弹跳液滴内部快速扩张的气泡
3. 新应用：本工作展示了上述过程在高温结构表面自清洁方面的全新应用。由于咖啡环效应, 流体中的杂质往往沉积在表面粗糙结构的深处, 这对表面自清洁带来挑战。本工作利用常温状态Wenzel液滴溶解表面结构深处的沉积杂质，进一步利用加热升温后产生的蒸汽泡使结构深处沉积物脱落，最终利用液滴的自发弹跳实现表面的自清洁。
图3. 加热表面液滴的快速相变和跳跃可以去除深层杂质
【作者简介】
程江涛博士，美国弗吉尼亚理工大学机械工程系教授。主要研究方向为微纳米流体、微流控光学、热流体动力学、传热学与微电子器件冷却、可再生能源利用等。研究工作获得美国2010年度太阳能最佳发明奖和6次国际大会最佳论文奖。2013年获得中国国家自然科学基金委海外杰出青年学者奖。2016年获得弗吉尼亚理工大学关键技术与应用科学研究院的青年教师奖。2021年当选美国机械工程师学会(ASME)会士。受邀成为70多个国际期刊和国际会议的审稿人，担任多个国际大会的分会主席等。在国际顶级期刊和国际重要会议上发表文章80余篇。
联系方式：chengjt@vt.edu.
赵磊，工学博士，大连理工大学副教授。主要从事仿生功能表面设计制造和表界面强化传热传质方面的理论与实验研究。关注机械装备设计加工过程中的热质传递过程，结合跨尺度多物理场仿真、实验手段与理论分析等研究手段，致力于实现机械装备与流体工质之间能量高效转化和驱动。目前在Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、Nano Letters等国际著名期刊发表论文20余篇，研究成果受到世界经济论坛、每日科学、EurekAlert! 、美国消费者新闻与商业频道等全球数十家国际知名科学媒体跟踪报道. 主持或参与国家自然科学基金项目、美国国家自然科学基金项目在内的多个国内外重要科研项目。
联系方式：leizhao@dlut.edu.cn
参考文献：
Wenge Huang, Lei Zhao*, Xukun He, Yang Li, C. Patrick Collier, Zheng Zheng, Jiansheng Liu, Dayrl P. Briggs, Jiangtao Cheng*. Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces. Nature Physics, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02522-z
来源：高分子科学前沿
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