江雷院士团队ACS Nano：仿生狗舌表面，让芯片散热效率提升150%

仿生狗舌表面：破解电子设备“热焦虑”的跨尺度冷却新范式

随着电子器件向着高度集成化和微型化方向飞速发展，热失效已成为制约其性能与可靠性的主要瓶颈。传统冷却策略，如风冷和水冷，各自受限于低导热率、噪音或高泵送功耗，难以满足日益增长的散热需求。被动式薄液膜蒸发冷却利用水相变潜热，被视为一种极具潜力的节能环保解决方案。然而，其性能被膜厚稳定性与分子蒸发动力学的矛盾所束缚：介观尺度上，厚液膜热阻大，而薄液膜易干涸；分子尺度上，水分子需挣脱强氢键网络才能蒸发。这些跨尺度挑战共同制约着蒸发冷却效率的提升。

受自然界犬科动物舌头热调节机制的启发，中国科学技术大学江雷院士、朱忠鹏研究员和中国科学院理化技术研究所田野研究员合作开发了一种仿生跨尺度连续表面（BioCCS），成功实现了被动式热管理的巨大飞跃。该研究通过揭示狗舌头上此前未知的纳米纤毛结构，设计出集成微沟槽与纳米线阵列的层级结构。测试结果显示，在80 ℃的器件失效相关温度下，BioCCS的蒸发速率高达31.36 kg·h⁻¹·m⁻²，其被动冷却系统散热能力相比未改性表面提升了150%。相关论文以“Canine Tongue-Inspired Superspreading-Enhanced Cross Scale-Coupled Evaporation for Thermal Management”为题，发表在ACS Nano上。

该仿生设计的灵感来源于对比格犬舌头的多尺度表征。研究团队通过显微CT和电子显微镜发现，狗舌头表面的丝状乳头（平均直径约187.7 μm，高约179.8 μm，间距34.8 μm）表面覆盖着密集的纳米纤毛（长约790.4 nm，直径约28.1 nm），形成了一种此前未报道的微-纳层级结构（图1B-E）。正是这种结构，通过快速补充唾液并维持湿润表面，实现了高效的热调节（图1A）。受此启发，研究团队采用激光微加工和金属辅助化学刻蚀两步法，在硅基底上构建了BioCCS（图1G）。该表面由约200 μm高的微乳头阵列、约30 μm宽的V形微沟槽以及直径约100 nm、高约1 μm、孔隙率约29%的纳米线网络构成，激光加工还在微乳头边缘诱导了纳米颗粒的脊状堆积（图1H-K）。这种仿生设计带来了优异的动态润湿行为，BioCCS和天然狗舌一样，能在90毫秒内实现超铺展（接触角小于5°），而平整表面和仅有纳米结构的表面润湿动力学则慢得多（图1L）。蒸发实验表明，BioCCS的蒸发速率达到1.45 mg·min⁻¹，是平整表面的11.2倍，并比天然狗舌高出54%（图1M），初步展现了其结构优势，证明了人工多尺度结构可以超越生物原型。

图1. 狗舌头的多尺度结构特征与BioCCS的仿生设计。 (A) 狗舌头上唾液驱动蒸发冷却的示意图。 (B-E) 天然乳头的多尺度表征。显微CT揭示了规则排列的丝状乳头（直径187.8±5.2 μm，高度179.8±1.2 μm，间距34.8±0.4 μm），具有不对称的顶端和周向的亚乳头突起。透射电镜鉴定出覆盖乳头表面的致密纳米纤毛（长度790.4±25.3 nm）。 (F) 舌头层级结构的三维示意图。 (G-K) BioCCS的制备与形貌。激光微加工和化学刻蚀产生了由V形微沟槽（底部宽度约30 μm）互联的微乳头（高度约200 μm），并均匀装饰有纳米线（直径约100 nm，高度约1 μm，孔隙率约29%）。扫描电镜图像显示有序的微乳头阵列和多孔纳米线网络，部分纳米线聚集形成簇。 (L) 由接触角演变表征的动态润湿行为。平整表面和纳米结构表面表现出较慢的润湿动力学，而微结构表面、BioCCS和天然舌头在90毫秒内实现超铺展（θ < 5°）。 (M) 蒸发速率比较。BioCCS的蒸发通量比平整表面高11.2倍，且性能优于纳米结构和微结构对照组，展示了微-纳协同增强效应。

为探究性能提升的根源，研究者对BioCCS上的液体铺展动力学进行了细致分析。液滴接触表面后，会经历四个连续的铺展阶段：首先，微沟槽通过毛细力驱动液体在41 ms内快速前进1.45 mm；随后，液膜被微沟槽边缘的脊状堆积物向上吸引，预润湿微乳头I上的纳米线区域；接着，在167 ms后液体在纳米线支架内再前进1 mm；最终在333 ms后形成覆盖微乳头I并依次蔓延至邻近乳头的均匀薄液膜（图2A-E）。研究进一步量化了结构参数对毛细芯吸系数的影响，发现当沟槽深度从4 μm增至200 μm时，芯吸系数从0.72显著提升至11.09 mm·s-0.5，在140 μm深度时即已达到10.90 mm·s-0.5（图2F）。值得注意的是，纳米线高度存在一个最优值（约10 μm），此时芯吸系数维持在5.71-6.28 mm·s-0.5之间，而超过10 μm的纳米线会因粘性耗散使芯吸系数降至4.52 mm·s-0.5，反而抑制铺展（图2H），这为结构设计提供了关键指导。

图2. BioCCS上液体铺展动力学的调控。 (A) 水在BioCCS上铺展的时间分辨图像。 (B-E) 顺序铺展阶段： (B) 微沟槽引导的传输，毛细作用驱动液体沿沟槽快速前进； (C) 微乳头预润湿，外围纳米线区域先被预润湿，导致渗透变慢； (D) 纳米线辅助铺展，毛细驱动液膜越过乳头； (E) 均匀膜覆盖，均匀液膜延伸至相邻乳头。 (F) 渗透长度（L）随沟槽深度增加而增加，在200 μm时获得最大芯吸系数11.09 mm·s-0.5。 (G) 增加微-纳结构比例可增强毛细芯吸。 (H) 纳米线高度优化铺展，性能在10 μm时最大化，更高纳米线则性能下降。

在揭示铺展机制后，研究者进一步阐明了BioCCS上独特的“跨尺度耦合蒸发机制”（CCEM）。蒸发过程呈现出三个阶段：初始阶段为宏观液膜（区域RB）、微沟槽调控液膜（区域RM）和纳米线限域薄液膜（区域RN）三区共存；随后过渡至RM与RN两区共存；最终进入仅由RN主导的蒸发阶段（图3A）。定量分析表明，在稳态阶段，RN区域的面积归一化蒸发通量高达1.98 mg·min⁻¹·cm⁻²，约为RM区域的三倍（图3B）。参数分析显示，蒸发速率随沟槽深度增加而升高，在40 μm时达到峰值1.91-1.92 mg·min⁻¹，更深的沟槽因截留液体增厚液膜而降低效率（图3C）。微-纳结构比例从0.015增至0.031时，蒸发速率从1.93升至2.18 mg·min⁻¹，继续增大则因有效蒸发位点不足而下降约33%（图3D）；而纳米线高度从1 μm增至30 μm时，蒸发速率从1.63单调升至2.08 mg·min⁻¹（图3E）。通过热重分析和原位拉曼光谱，研究揭示了其分子层面的奥秘：纳米限域结构能显著调控界面水分子的氢键网络，将强氢键结合水的比例从平整表面的49.6%和微结构表面的52.0%大幅降至仅有纳米结构表面的29.3%，而BioCCS更进一步降至17.4%（图3G-I）。弱化的氢键环境使得水分子更易挣脱界面束缚，从而实现蒸发效率的飞跃。微沟槽则通过持续将液体从RB区域补充至RM和RN区域，防止厚液层积累，维持了这一低氢键比例的动态薄液膜界面状态（图3J-K）。

图3. BioCCS上的跨尺度耦合蒸发机制。 (A) 蒸发经历三个阶段：阶段I，宏观体积液体蒸发区（区域RB）、微沟槽调控蒸发区（区域RM）和纳米线主导蒸发区（区域RN）共存；阶段II，区域RM和RN共存；阶段III，RN主导的蒸发阶段。 (B) 蒸发过程中特征半径和总液体质量的时间演化。阴影区域表示由特征半径动态演化确定的三个蒸发阶段（阶段I-III）。稳态分析表明，RN具有最高的面积归一化通量（1.98 mg·min⁻¹·cm⁻²）。 (C-E) 结构对蒸发的调控： (C) 蒸发速率在沟槽深度为40 μm时达到峰值（1.92 mg·min⁻¹），更深的沟槽则下降。 (D) 微-纳比例从0.015增加到0.031时，速率从1.93升至2.18 mg·min⁻¹，超过此比例性能受到抑制。 (E) 增加纳米线高度（1-30 μm）使速率从1.63单调升至2.08 mg·min⁻¹。 (F) 热重分析质量损失曲线及相应蒸发速率表明，纳米线结构的存在改变了界面蒸发动力学。 (G-I) 拉曼O-H光谱显示，O-H伸缩带被解卷积为三个组分：(I) ~3200 cm⁻¹（强氢键结合水），(II) 3400-3500 cm⁻¹（弱氢键结合水），(III) 3600-3650 cm⁻¹（非氢键结合水）。强氢键结合水的比例在纳米结构表面显著下降，从平整表面的49.6%和微结构表面的52.0%降至纳米结构表面的29.3%，而BioCCS显示出最低的比例（17.4%）。相较于纳米结构表面，这种降低与微沟槽辅助的液体传输一致，其将蒸发集中在纳米线限域区域。 (J-K) BioCCS在整个蒸发过程中维持最低的强氢键结合水比例。

基于优化后的结构参数（40 μm深的沟槽、微-纳比例0.064和10 μm高的纳米线），研究团队构建了被动式热管理演示系统（图4A），该系统的芯吸系数为5.10 mm·s-0.5，单液滴蒸发速率为1.92 mg·min⁻¹。在80 ℃的测试温度下，BioCCS的蒸发速率分别是平整表面、微结构表面和纳米结构表面的5.9、1.6和1.3倍（图4B）。红外热成像显示，在1.5 W的加热功率下，BioCCS的表面温度比平整表面低了约10 ℃，比纳米结构表面（约3 ℃）和微结构表面（约4 ℃）的降温幅度更大，且BioCCS表面温度变化保持在1.5 ℃以内，展现出极佳的热分布均匀性（图4C）。在0-2 W输入功率范围内，BioCCS始终达到最低的稳态温度（图4D）。更为关键的是，在工业芯片普遍接受的安全阈值（85 ℃）下，BioCCS被动冷却系统可稳定耗散5 W的热量，相比于平整表面的2 W，有效散热能力提升了150%，也显著优于纳米结构表面（3 W）和微结构表面（2.5 W）的蒸发器（图4E-F）。

图4. BioCCS蒸发器的热质传递与热耗散性能。 (A) 用于蒸发和被动热传递表征的实验系统示意图。 (B) 温度依赖性蒸发性能（25-80 °C）。在平整表面、纳米结构表面和微结构表面中，BioCCS表现出最稳定的铺展和蒸发性能。 (C) 1.5 W功率下的红外热成像显示，其表面温度比平整表面低约10 °C，而BioCCS在感兴趣区域内保持空间均匀性（温差< 1.5 °C）。 (D) 在0-2 W热输入下，BioCCS始终达到最低的稳态温度。 (E) 在工业安全的低于85 °C工作温度下，BioCCS耗散了5 W的输入功率，有效散热能力比平整表面高出150%。 (F) 与已报道的界面蒸发器对比表明，BioCCS在25-80 °C范围内均提供了优异的热性能。

这项研究通过揭示狗舌头上未被发现的纳米纤毛结构，成功将其转化为一种高效的仿生工程表面。该工作提出的跨尺度耦合蒸发机制（CCEM），将宏观毛细传输、介观薄膜扩展与微观分子氢键重组统一起来，为设计自维持的被动蒸发冷却界面奠定了理论基础。尽管当前研究主要聚焦于物理结构调控，未来通过表面化学修饰进一步优化水-固相互作用，有望继续提升蒸发效率和能量利用率。这一仿生策略不仅在电子器件热管理领域展现出巨大应用潜力，也为海水淡化、能源转化等涉及界面相变过程的技术提供了全新思路。