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1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特偶然将一滴水滴在烧红的铁勺上，发现水滴竟然悬浮起来并在铁勺上四处滚动，整个过程可以持续几十秒。莱顿弗罗斯特对此现象十分感兴趣，深入研究后发现，液滴能够悬浮在热表面主要是由于液滴蒸发形成了一层蒸汽膜阻隔了液滴与热表面的直接接触。这种现象被后人称为莱顿弗罗斯特现象，而出现这一现象的表面温度称为莱顿弗罗斯特温度。

调控表面温度处于 莱顿弗罗斯特 温度附近的液滴运动在高温散热、燃油溅射、气膜冷却和生物样本冷冻等领域具有广泛的应用前景。由于气膜的阻隔作用，表面对液滴束缚力小，液滴运动表现出强烈的随机性。尽管研究者们通过对表面材料和结构进行精巧设计实现了高温表面液滴的单向输运，然而，如何在不改变表面结构的前提下实现高温表面液滴双向输运以及对其输运距离进行精确控制仍然是领域内的一大挑战。

近日，大连理工大学机械工程学院刘亚华教授与清华大学航天航空学院吕存景教授团队通过设计表面结构和调控液体的沸腾模式，实现了液滴双向输运及其精确控制，这一进展对拓宽莱顿弗罗斯特现象在高温散热和液体筛分等方面的应用具有重要意义。相关成果以题为“Steerable drops on heated concentric microgroove arrays”发表在《Nature Communications》上。

【液滴运动方向的控制】

研究者设计了圆环微沟槽阵列来打破碰撞液滴的铺展和收缩对称性，通过调节表面温度实现了对液滴输运方向的控制（图1a）。在表面温度略低于莱顿弗罗斯特温度（250 ℃）时，液滴处于过渡沸腾模式，碰撞在圆环微沟槽阵列上的液滴朝向沟槽曲率中心方向运动（图1b）；而表面 温度在莱顿弗罗斯特温度以上（350 ℃）时，碰撞液滴处于膜态沸腾模式且运动方向恰好相反（图1c）。

图1 液滴碰撞在250 ℃和350 ℃表面具有相反的输运方向

进一步研究发现，处于过渡沸腾模式（215 ℃ ~ 295 ℃）的液滴总是朝向沟槽曲率中心方向运动，而处于膜态沸腾模式（> 315 ℃）的液滴总是朝向反方向运动，如图2所示。因此，在该圆环微沟槽阵列表面上，碰撞液滴的运动方向由液滴的沸腾模式决定。

图2 液滴处于不同沸腾模式时具有相反的输运方向

【液滴双向输运的机理】

通过碰撞动力学实验和理论分析，研究团队揭示了结构表面不同沸腾模式下液滴输运的机理：在过渡沸腾模式下，驱动力来自于结构诱导液滴变形产生的拉普拉斯压差，使得液滴向曲率中心运动（图3a-b）；而在膜态沸腾模式下，环形沟槽侧壁对侵入沟槽部分的液体施加反向作用力，驱动液滴远离曲率中心（图3c-d）。作者建立了不同沸腾模式下表面结构参数、碰撞速度（韦伯数）、液滴起始碰撞位置与液滴输运距离的定量关系。

图3 过渡沸腾和膜态沸腾模式下液滴的输运机理

【异种液滴双向输运与筛分】

由于不同液体所对应的莱顿弗罗斯特温度不同，在同一温度表面的沸腾模式可能不同（图4a）。基于此，研究团队通过调控温度使液滴处于过渡沸腾模式，水滴连续碰撞在高温圆环微沟槽阵列表面时向表面中心区域汇聚直至完全蒸发，这为液体冷却提供了一种全新思路（图4b）。另一方面，由于在特定温度下两种处于不同沸腾模式的液滴具有不同的输运方向，这为异种液滴筛分提供了一种全新的技术方法（图4c）。

图4 液体冷却和异种液滴筛分

【总结】

这项工作突破了长期以来人们对高温结构表面液滴输运的认知，即特定高温结构表面上液滴只能进行单向输运。研究团队通过协同调控液体的沸腾模式，实现了在同一表面上液滴的双向输运及对输运距离的精确控制。该发现为高温表面液体传输及其新兴应用如过热点持续冷却和液体筛分等开辟了新途径。

文章第一作者为大连理工大学机械工程学院博士生刘聪，通讯作者为大连理工大学刘亚华教授和清华大学吕存景教授。其他作者包括大连理工大学机械工程学院博士生卢晨光和原子超。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目和国家海外高层次人才引进计划项目等的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30837-z

来源：高分子科学前沿

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