两百多年的物理效应迎新进展：中美联合团队发现低温莱顿弗罗斯特效应，在130℃下观察到液体悬浮

近日，大连理工大学赵磊教授联合美国弗吉尼亚理工大学程江涛教授团队，发现了“低温莱顿弗罗斯特效应”，将莱顿弗罗斯特效应临界温度（约为 230℃）降低 100℃，仅需 130℃“低温”就能实现蒸汽驱动表面液体快速弹跳。

图 | 赵磊（来源：赵磊）

此外， 本工作通过调节微柱高度，实现了液体在莱顿弗罗斯特弹跳和振荡弹跳之间的切换控制。

也打破了传统莱顿弗罗斯特效应需要高过热度以维持液体持续沸腾的固有认知，所提出的热边界层-气泡-液体相互作用是对二百余年莱顿弗罗斯特效应基础理论的重大创新和有效补充。

图 | “低温”莱顿弗罗斯特效应（来源：赵磊）

延续两个半世纪的物理发现

莱顿弗罗斯特效应，这一神奇的物理现象，其发现可追溯至两个半世纪前。

1756 年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特 （Johann Gottlob Leidenfrost） 首次对其进行了系统性的研究，并以其姓氏命名了这一现象。

莱顿弗罗斯特效应在我们的日常生活中也并不鲜见，例如在滚烫的铁锅中跳跃的水珠、接触液氮时皮肤未被冻伤、或是手浸入钢水而未被烫伤的奇迹。

当液体接触到温度远高于其沸点的固体表面时，其底部会形成一个稳定的蒸汽层，使液体得以悬浮，与固体表面形成一种脱离式的接触。

在过去，学界主要致力于如何提高莱顿弗罗斯特效应的临界温度，以抑制其发生。这是因为当液体与加热表面之间形成稳定的隔热蒸汽层时，会显著降低热量的传递效率。

标志性的成果是 2022 年中国学者通过改进的热装甲技术，在 1100℃ 高温下抑制莱顿弗罗斯特效应，从而使得高效液冷技术成为可能。

然而，如何促进莱顿弗罗斯特效应，也就是降低莱顿弗罗斯特效应所需要的热量输入，对于提升固体表面液体的运动性和操控性具有重要意义，却鲜少有人探索。

长久以来，人们普遍认为，要触发莱顿弗罗斯特效应，必须将表面温度保持在至少 230℃ 的高温，以确保蒸汽能产生足够的压力来支撑液体悬浮。

而本次研究巧妙地设计制备了鱼鳍状的微柱阵列，从而优化了通过界面传输的有限热量在液体区域内的分布，实现了单个蒸汽核心的惯性驱动快速扩张。

并利用蒸汽与液体之间的相互作用，实现了 130℃“低温”（仅高于沸点 30℃）下蒸汽支撑的液体完全悬浮，从而将莱顿弗罗斯特效应的临界温度一次性降低 100℃。

图 | “低温”莱顿弗罗斯特效应中的液滴快速弹跳（来源：Nature Physics）

这项研究不仅拓展了我们对两相界面传热的认识，也为技术革新和应用开辟了新的道路。

在本研究报道的 “低温”莱顿弗罗斯特效应下，蒸汽润滑作用使液体运动阻力降至极低，从而赋予液体在极高的运动能力和操控性能。

正是这一特性，使其在需要对流体进行高效、精确运动操控的应用场景，如芯片冷却、纳米材料合成和表面防/除污等方面，展现出巨大应用场景。

而随着对这一现象更深层次的理解，我们可以期待它将在材料科学、能源转换和热管理等多个领域发挥重要作用，推动科技向前发展。

决定命运的那个泡泡

如前所述，本次研究由赵磊团队和程江涛团队合作完成。而后者则是赵磊教授读博期间的导师。

与此同时，目前正在程江涛课题组攻读博士学位的黄文格同学，也是本次课题的主力之一。

本次工作的核心实验现象，即“低温”莱顿弗罗斯特现象，正是由黄文格发现的。

起初，在观测疏水表面上的液滴蒸发行为时，课题组使用的是普通相机，最大帧率只有 100fps。

观测中他们发现：所拍摄的液滴照片总是很模糊，照片上的液滴好像在剧烈振动。

但是，当液滴逐渐变得稳定，无论是拍摄照片还是拍摄视频，都比之前更加清晰。

那么，初始模糊阶段到底发生了什么？针对此，改由 10000fps 高速相机进行拍摄，发现在 130℃ 的低过热度表面上随微柱高度的变化液体在振荡跳跃和快速弹跳之间的变化。

尤其是在微柱高度较高时，液滴的跳跃行为变得异常剧烈，仿佛液滴在空中"爆炸"一样，这一现象在视觉上极为震撼。

图 | 决定命运的的蒸汽泡（来源：Nature Physics）

那么当液滴快速跳跃时，液滴内部发生了何种变化？他们为此改变了拍摄角度，从液滴顶部进行拍摄。

借此发现了液滴内部的一个快速扩张的气泡，而它便是发生“低温”莱顿弗罗斯特效应的关键所在。

不过此时仍无法解释为什么在远低于传统莱顿弗罗斯特效应临界温度下，气泡仍可以表现出足以支撑液体快速悬浮的动力。

凭借本身流体力学与传热学的学术背景和研究经验，赵磊找到了赋予气泡如此巨大能量的关键——热边界层，即由于表面加热作用而存在于液体底部的、薄薄一层的过热液体区域。

并通过分析热边界层厚度与表面结构之间的关系，以及气泡在热边界层内的动力学行为， 最终建立了“低温”莱顿弗罗斯特效应的数学模型，并通过进一步的实验和数值模拟得到了验证。

不过，当研究进行到这里的时候，本次研究在应用上依旧十分欠缺。

原因在于“低温”莱顿弗罗斯特效应的发生条件较为苛刻，即必须让液体先进入表面结构间隙，然后在加热作用之下，产生蒸汽推动液体悬浮。

后来，赵磊在参加一次线上学术会议时偶然听到了有关换热表面结垢和污染的学术报告。

“听完之后灵光乍现，我认为我们此次发现的物理现象，可以很好地解决结构表面防污去污的问题。”赵磊表示。

而当补上应用的空缺之后，相关论文最终以《微结构表面上的低温莱顿弗罗斯特式悬浮液滴跳跃》（Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces）为题发在 Nature Physics[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Physics）

论文接收前后

一篇论文的发表，有时也伴随着事业和家庭的两难全。

赵磊表示：“2023 年十一假期期间我和爱人结婚，由于工作繁忙一直没有度蜜月，于是就跟我爱人商量，在 2024 年春节前两周丢下所有事，陪她去西南地区旅游度蜜月。”

然而，他还是“食言”了，说好的两周缩水成一周，目的地也变成了成都和重庆两座城市。

“旅游途中，审稿意见返回，期间我白天陪她出去玩，晚上在酒店回复审稿意见，我感到非常对不起爱人，但也很感激她的支持和理解。”赵磊说。

而作为一名科研人员，赵磊等人的追求是永无止境的。下一步，他们将继续在表面结构上，尝试调控莱顿弗罗斯特效应。

基于本次工作，他们已经基本厘清莱顿弗罗斯特效应中的表面结构、蒸汽、热边界层和液体之间的相互作用。

虽然已经初步掌握热边界层对于莱顿弗罗斯特效应的影响，并在本次论文中建立了相应的数值模型。

但是，目前的数值模型仍然比较粗糙。在不考虑液体相变引起的温度波动的前提下，他们希望继续开展理论和数值的研究。

同时，目前领域内的大多数工作包括本次成果，都是利用表面结构来调控莱顿弗罗斯特效应，本质上依旧采取了被动控制的方式，无法根据具体应用场景需求，实现对莱顿弗罗斯特效应临界温度的动态调整，自然也就无法实现液体在蒸汽悬浮和接触沸腾状态之间的可控转变。

而在后续，他们希望造出来具备动态响应能力的莱顿弗罗斯特效应智能调控表面。

当然，他们也希望将本次成果加以推广应用，解决结构表面的大规模制备和耐久性问题，进而解决莱顿弗罗斯特效应的传热操控和流体操控的工程难题。

从理论发现到实际应用

本工作发现的低温莱顿弗罗斯特效应，在结构表面防除污方面展现出重要应用前景，也是论文核心内容之一。

在传统的换热设备中，热量传递主要依赖流体介质与换热设备表面的接触。

为了增强热量传递效率，研究人员常采用微结构化表面，如构筑微沟槽和微肋板等，以加强流体工质和表面之间的相互作用。

然而，这些微结构也成为了污渍的温床，在换热设备长期运行的过程中，流体中杂质会析出并沉降在微结构深处，难以清除。

常规的射流冲洗方法操作复杂，且受咖啡环效应的影响，射流液体自身也会携带杂质，使其沉降到结构间隙，造成二次污染。

虽然传统的高温莱顿弗罗斯特效应可以有效抑制咖啡环效应，但是当其发生时，射流液体根本无法进入到结构间隙内，导致污渍无法去除。

（来源：Nature Physics）

令人振奋的是，低温莱顿弗罗斯特效应的发现，允许液体在较低温度时，如 100℃ 进入结构间隙溶解表面杂质，而将温度快速提升少许至 130℃ 左右时，液体能够携带杂质从表面弹跳脱离，实现几乎无残留 的清洁，从而能够很好地解决上述问题。

参考资料：

1.Huang, W., Zhao, L., He, X.et al. Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02522-z

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