极端制造 | 飞秒激光直写非对称微沟槽——强力定向驱动Leidenfrost液滴

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作者

张可以、马玉平、彭玉斌*、汪名洋、蒋雪丽、赵志翔、康鹏、陈存园、陈圳瑞、穆恺、司廷、雍佳乐*

机构

西安交通大学、安徽建筑大学、中国科学技术大学

Citation

Zhang K Y, Ma Y P, Peng Y B, et al. 2027. Femtosecond laser asymmetric microgrooving for the ultrastrong directional propulsion of Leidenfrost droplets. Int. J. Extrem. Manuf.9015001.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/aea03e

撰稿 | 文章作者

文章导读

高速可控的液滴操控在先进技术和工程应用中发挥着不可或缺的作用，其应用范围涵盖微流控、化学工程、生物医学、分析检测、能源转换及可持续发展等广泛的领域。与液滴相关的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）效应是一种奇特的物理现象，指的是将挥发性液滴滴落在温度远高于其沸点的固体表面上时，液滴底部产生的蒸汽流使其悬浮于固体表面之上的状态。莱顿弗罗斯特液滴的可控推进与一系列实际应用密切相关，特别是在极端环境或极端条件下的一些应用场景。

近期，西安交通大学仪器学院的雍佳乐教授联合安徽建筑大学和中国科学技术大学等单位的研究者在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《飞秒激光直写非对称微沟槽结构用于莱顿弗罗斯特液滴的超强定向推进》的研究文章，介绍了一种飞秒激光简单直写非对称微沟槽阵列结构并实现莱顿弗罗斯特液滴定向驱动及运动方向设计的方法。作者在非理想加工条件下，利用非对称的聚焦光斑在金属铝表面上一步直接“写”出具有非对称几何结构的微沟槽结构。研究发现，在合适的加热条件下，所制备非对称微沟槽阵列结构上处于莱顿弗罗斯特状态的液滴能够高速的沿特定方向移动。液滴运动速度最大可达400mm/s，液滴甚至可以逆重力爬上倾斜18°的斜坡。基于飞秒激光加工灵活性强的特点，作者通过非对称微沟槽结构图案化的设计，实现了莱顿弗罗斯特液滴运动方向和轨迹的灵活设计和操控，并进一步实现了多个莱顿弗罗斯特液滴驱动相关的应用。

关键词

飞秒激光直写；Leidenfrost效应；莱顿弗罗斯特液滴；非对称微沟槽；液滴定向驱动

亮 点

1. 利用飞秒激光在非理想加工条件下可直写制备出非对称微沟槽结构。

2. 所制备非对称微沟槽阵列可以定向驱动莱顿弗罗斯特液滴运动。

3. 莱顿弗罗斯特液滴的最大驱动速度可达~400 mm/s，可以逆重力爬上倾斜18°的斜坡。

4. 莱顿弗罗斯特液滴在双层非对称微沟槽图案上实现了弧线运动。

研究背景

当液滴滴落在温度远高于液体沸点的过热固体表面上时，液滴并不会迅速蒸发或剧烈飞溅，而是悬浮在高温基底上方。这种有趣的物理现象被称为“莱顿弗罗斯特效应”。这是因为，液滴底部因热诱导相变会向下喷射蒸汽流，该蒸汽层最终将液滴托起。莱顿弗罗斯特效应为高速液滴推进与操控提供了一种新颖的策略。一方面，喷出的蒸汽膜将液滴与固体表面分隔开，显著降低了液滴与固体基底之间的粘附力以及界面摩擦力。另一方面，研究发现加热固体表面上的非对称宏观/微观结构能够改变莱顿弗罗斯特液滴底部蒸汽流的方向（也即整流作用），从而对液滴施加特定方向的粘性剪切应力并驱动液滴沿特定方向高速输运。莱顿弗罗斯特液滴的可控推进与许多工程实际应用密切相关，特别是针对极端环境或极端条件下的一些应用场景。例如，在高温或高辐射等恶劣环境中，当机械泵或电动机无法使用时，此时可以通过预先设计的不对称表面纹理来驱动莱顿弗罗斯特液滴运动，从而将热能转化为机械能甚至电能。通过引导莱顿弗罗斯特液滴定向地移动到需要冷却的热点区域，可以实现“靶向冷却”。莱顿弗罗斯特液滴的定向推进还可以将热量从热区快速传递到冷区，从而实现高效散热。研究发现，非对称的表面结构能够有效地推动莱顿弗罗斯特液滴沿特定方向的运动。

在飞秒激光精密制造过程中，激光非垂直入射、聚焦光斑非圆形以及焦斑能量分布不对称等不利因素（图1），会严重影响激光诱导微结构的精度与形貌。例如，试图制备一个圆形微孔，结果可能形成了椭圆微孔；或者本应沿激光扫描线对称的微槽，最终却变得不对称。因此，在激光加工前，通常需要对系统进行优化和校准，以避免这些不良影响。然而，换个角度来看，这些不利因素也容易产生不对称的微结构，而这恰恰有利于实现莱顿弗罗斯特液滴的定向推进。

图1典型的三种非理想激光加工条件：激光非垂直聚焦于材料表面；激光光斑不圆；激光光斑能量分布不对称。

最新进展

在非理想的光束条件下，当飞秒激光束被聚焦到材料表面上时，聚焦光斑的能量密度呈非对称分布（图2a,b）。如果焦点沿着非对称的轴线在样品表面上扫描直线，则会直接写出两个侧壁具有明显不同倾斜角度的微沟槽结构（图2d-f）。激光能量高的区域与材料表面相互作用更加剧烈，因而材料的去除更加明显，刻蚀深度更深（图2c）。相反，激光能量较小的区域烧蚀较弱，所以刻蚀较浅。在加热的非对称微沟槽阵列结构上，当水滴滴在样品表面上后，可以发现液滴会迅速沿着陡峭沟槽侧壁（垂直于沟槽）的方向高速运动，实现了莱顿弗罗斯特液滴的定向驱动（图2g）。最大驱动速度可达400mm/s（图2i）。即便将加热表面倾斜18°，液滴也能够从斜面底端爬上坡去（图2h,j），证明所制备结构对莱顿弗罗斯特液滴具有超强的定向驱动能力。

图2飞秒激光直写非对称微沟槽结构及对莱顿弗罗斯特液滴的定向驱动作用。（a-c）激光加工系统示意图。(d-f)非对称微沟槽阵列结构。（g, h）莱顿弗罗斯特液滴的定向运动。（i, j）性能对比。

加热温度对于实现莱顿弗罗斯特液滴的定向驱动有重要的影响。随着加热温度逐渐增大，液滴在所制备表面上会历经自然蒸发、核沸腾状态、过渡沸腾状态、膜沸腾状态的逐渐转变。只有当加热温度超过临界值，使液滴处于莱顿弗罗斯特状态时，液滴才会发生高速定向移动（图3a-e）。这种定向驱动主要来源于飞秒激光直写的非对称微沟槽结构对莱顿弗罗斯特液滴底部蒸汽流的整流作用（图3f-h）。当液滴底部向下喷射的蒸汽流遇到非对称沟槽时，在陡峭侧壁一侧，会沿着沟槽向两侧散开。而在侧壁倾斜角度较小的这一侧，蒸汽流会沿着倾斜侧壁向下流动，因而会对液滴底部施加粘性剪切应力作用，从而导致液滴向着陡峭一侧定向运动。

图3高温热表面上的液滴运动状态。（a-d）不同加热温度下液滴的动态行为。（e）莱顿弗罗斯特液滴定向驱动过程中位移和速度随时间的变化。（f-h）飞秒激光制备的非对称微沟槽结构驱动莱顿弗罗斯特液滴定向运动的机制。

目前被报道的驱动莱顿弗罗斯特液滴运动的结构和方法通常只能使液滴沿着直线运动。本文作者提出了一种基于飞秒激光直写的双层非对称沟槽图案结构实现液滴沿弧线运动的策略。首先利用飞秒激光在金属表面直写形成第一层非对称沟槽阵列结构，然后将样品旋转90°，再继续用激光直写一层非对称微沟槽阵列结构（图4a, b），使两层非对称微沟槽交叉叠加在一起。这样，在加热表面上，莱顿弗罗斯特液滴底部会受到两个垂直方向的粘性剪切应力作用，从而使液滴可以沿着弧线运动（图4c-i）。通过调节两层微沟槽阵列的周期比例，可以调控液滴偏转的程度。

图4基于双层非对称微沟槽阵列结构设计的莱顿弗罗斯特液滴曲线驱动。（a, b）双层非对称微沟槽阵列图案的设计制备。（c-i）莱顿弗罗斯特液滴的曲线运动。

飞秒激光直写的非对称微沟槽结构可以将莱顿弗罗斯特液滴驱动到一个非常高的运动速度，因而可用作液滴加速器。图5a设计了一种液滴高速对撞研究平台。在金属铝片的两侧各加工了一组非对称沟槽结构，使两侧的结构对莱顿弗罗斯特液滴的驱动方向都指向中间轴线。在加热表面上，当将两个液滴分别释放在两侧的加速结构上后，液滴会迅速向着中心位置加速运动，最终会相遇、接触并且发生碰撞过程。图5b展示了液滴高速对撞后的形态变化。可以看到，两个液滴碰撞后会从基底表面上弹跳起来。图5c展示了液滴侧撞后的变化。合并的液滴像个花生一样，在水平面内旋转了起来。

图5基于液滴定向驱动的高速液滴对撞基础研究。（a）液滴对撞系统的设计。（b）液滴高速正面对撞过程（侧视图）。（c）液滴高速侧撞过程（俯视图）。

当将驱动结构加工在圆形凹槽的底部，并且让微结构的驱动方向沿顺时针或者逆时针，该结构可以驱使添加进凹槽的液体旋转起来图（6a, b）。旋转的液体类似个转子，从而实现了热能到机械能的转化。借助摩擦力，旋转的液体还可以进一步带动放置在液体上方的迷你齿轮旋转（图6c, d）。在废热利用领域，该装置可将废热转化为机械能甚至电能。

图6飞秒激光设计的图案化结构驱使液体旋转。（a）实现液体旋转的结构示意图。（b）液体旋转的过程。（c）带动机械齿轮旋转的结构示意图。（d）迷你齿轮旋转的过程。

未来展望

结合飞秒激光微加工技术的各种优势，所报道莱顿弗罗斯特液滴推进技术被成功应用于基础物理（有限距离内的液滴加速器）、能量转换（热-机械能转换）、机械工程（微型蒸汽机）和化学工程（液体筛选）等领域。该莱顿弗罗斯特液滴推进技术的重要价值在于开辟了一条全新的技术路径：利用高温作为动力源，无需机械部件即可实现自驱动、自冷却、自清洁和能量收集等。其核心理念在于，将一种曾被视为工程障碍的物理现象（例如淬火时蒸汽层的形成会降低冷却效率）重新定义为在微纳尺度上操控物质与能量的创新工具。未来，该技术有望在高温工业、极端环境探测、先进制造和微型化系统等领域发挥关键作用。

飞秒激光微加工技术具有加工精度高、广泛的材料兼容性和卓越的灵活性等特点，在莱顿弗罗斯特液滴推进应用中相较传统加工方法优势显著。例如，由于飞秒激光能够加工几乎任何给定材料，所提出的非对称微结构制备方法可拓展至多种基底材料（如铝、不锈钢、钛合金、镁合金、硅和陶瓷片），从而使不同材料都能实现定向驱动莱顿弗罗斯特液滴的功能。即使在陶瓷片等难加工的硬质材料上，也成功实现了莱顿弗罗斯特液滴的定向运动。此外，利用飞秒激光烧蚀位置的精确灵活控制，作者制备了双层的交叉微沟槽阵列图案。该结构能够实现莱顿弗罗斯特液滴的弧形输运，突破了传统驱动结构仅能实现直线液滴推进的局限。未来，该策略可进一步优化或发展，用来设计更复杂的莱顿弗罗斯特液滴运动轨迹。例如，可以根据具体需求，在样品表面的不同区域设计不同的微结构来实现曲线推进，从而使莱顿弗罗斯特液滴能够在整个表面上遵循更复杂的曲线路径运动，而不仅仅是简单的弧形轨迹。此外，通过在不同金属块上设计不同的推进结构，还可以像搭积木或铺地板一样组装功能模块，为莱顿弗罗斯特液滴运动的设计与控制构建定制化表面。这种灵活的莱顿弗罗斯特液滴轨迹设计方法将极大拓展基于液滴推进的潜在应用场景。

作者与团队简介

雍佳乐

西安交通大学

雍佳乐，西安交通大学仪器学院教授。主要研究方向为飞秒激光仿生微纳制造、极端制造、精密制造。以第一/通讯作者在IJEM, Chem. Soc. Rev., Nano Lett., ACS Nano，AFM/AEM等期刊发表论文80余篇，总被引8000余次，其中24篇论文引用>100次。荣获2018中国电子学会优秀博士学位论文奖、2015中国光学重要成果、2023年度中国机械工程学会优秀论文、2023 IAAM Scientist Medal、中国科大“墨子杰出青年”等荣誉。受邀担任中国机械工程学会极端制造分会委员、期刊IJEM青年编委、《中国激光》青年编委等。主持国家自然科学基金面上/青年项目，国家重点研发计划子课题，中国科大青年创新重点基金，西安交大青年拔尖人才支持计划（A类）等项目。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子25.1，位列工程/制造学科领域第一。期刊分区表工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。入选2025年度世界一流科技期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

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撰稿：作者 编辑：梁煜 审核：范珂艳

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