高功率密度設(shè)備的熱管理是化學(xué)工程與能源領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。當熱表面溫度超過萊頓弗羅斯特點時，液體會形成連續(xù)蒸汽膜，阻隔進一步蒸發(fā)，導(dǎo)致傳熱效率急劇下降。萊頓弗羅斯特現(xiàn)象極不穩(wěn)定，尤其在大尺寸條件下常伴有劇烈振蕩，難以實現(xiàn)有效調(diào)控。以往的研究大多依賴對加熱表面進行微納結(jié)構(gòu)設(shè)計、潤濕性修飾或構(gòu)造溫度梯度，以被動引導(dǎo)液滴運動和相變行為。然而，這些表面工程方法通常存在制造工藝復(fù)雜、成本高、耐久性不足等問題，且難以在具有復(fù)雜幾何形狀或大尺度的表面長期穩(wěn)定運行。因此，如何在不依賴表面處理的前提下，主動調(diào)控萊頓弗羅斯特相變行為，實現(xiàn)穩(wěn)定可控的兩相傳熱，成為熱管理領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。

近期，香港城市大學(xué)Steven Wang教授、 加州大學(xué)伯克利分校的Thomas Schutzius教授與墨爾本大學(xué)Gang Kevin Li教授合作在《Nature Physics》上在線發(fā)表了題為：“Capillary Leidenfrost effect"的原創(chuàng)研究論文。

該研究報導(dǎo)了一種全新的“毛細萊頓弗羅斯特的效應(yīng)"（圖1）。與傳統(tǒng)液滴萊頓弗羅斯特的效應(yīng)不同，該研究通過引入毛細結(jié)構(gòu)，將液體限域在毛細結(jié)構(gòu)中蒸發(fā)，可在顯著低于經(jīng)典萊頓弗羅斯特點的溫度下，實現(xiàn)固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、持久懸浮，且無需對毛細結(jié)構(gòu)表面、基底表面做任何預(yù)處理或微納加工。這是將傳統(tǒng)的液體萊頓弗羅斯特的效應(yīng)應(yīng)用到固體結(jié)構(gòu)上。同時，通過調(diào)節(jié)毛細結(jié)構(gòu)的孔徑、孔隙率等參數(shù)，還能主動調(diào)控相變模式，定制萊頓弗羅斯特溫度點。這一效應(yīng)還可推廣到廉價易得的天然多孔材料，為大尺寸、長距離的無接觸輸運提供了全新思路。

作者通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm）制作了毛細通道陣列結(jié)構(gòu)，打印材料選用了摩方精密開發(fā)的耐高溫樹脂（HT200）。從打印結(jié)構(gòu)的上表面注入液體，利用毛細作用將液體泵入毛細通道內(nèi)蒸發(fā)，排出的水蒸氣形成氣膜，實現(xiàn)與傳統(tǒng)萊頓弗羅斯特液滴類似的懸浮狀態(tài)。與經(jīng)典液滴的劇烈振動、跳躍等動態(tài)行為不同，固體毛細結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。通過間歇補水，毛細結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)長達10分鐘的穩(wěn)定懸浮，且氣膜厚度穩(wěn)定。毛細結(jié)構(gòu)顯著提高了液體蒸發(fā)速率，使得萊頓弗羅斯特點大幅降低。與前人文獻對比發(fā)現(xiàn)，本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了很低的萊頓弗羅斯特溫度點，且無需任何表面處理。

在同一熱板溫度下，對比實驗顯示：普通液滴迅速沸騰，數(shù)秒內(nèi)蒸發(fā)；而毛細結(jié)構(gòu)則快速進入懸浮狀態(tài)，持續(xù)時間長達兩分鐘。這直接證明，毛細結(jié)構(gòu)的萊頓弗羅斯特臨界溫度顯著低于傳統(tǒng)液滴。進一步改變毛細結(jié)構(gòu)的孔徑與孔隙率發(fā)現(xiàn)，萊頓弗羅斯特點具有可調(diào)性。在不同溫度下，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，毛細結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)接觸、混合和懸浮三種相變狀態(tài)，說明無需表面處理即可直接調(diào)控臨界溫度。當基底溫度固定時，我們測得了不同孔徑下實現(xiàn)懸浮所需的最小孔隙率：孔隙率越大，液體儲存能力越強；孔徑越小，液體蒸發(fā)越快。二者協(xié)同作用，促進了穩(wěn)定萊頓弗羅斯特懸浮狀態(tài)的出現(xiàn)。這一規(guī)律為未來毛細結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了明確指導(dǎo)（圖2）。

萊頓弗羅斯特液滴由于其蒸汽膜存在，具有無摩擦的特性。然而，傳統(tǒng)的萊頓弗羅斯特液滴操縱依賴基底的表面的加工處理實現(xiàn)不同的梯度特性（如粗糙度、潤濕性、溫度梯度等），通常制造成本高，且耐久性差。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整毛細通道的傾斜角度來改變蒸汽的排放方向，可在結(jié)構(gòu)下方形成一層略微傾斜的蒸汽膜，從而產(chǎn)生水平方向的驅(qū)動力。這一機制使毛細結(jié)構(gòu)無需任何表面修飾即可實現(xiàn)定向運動（圖3）。實驗表明，當通道傾角為15°至20°時，運動效果優(yōu)異；傾角過小時驅(qū)動力不足，傾角過大則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)前端因蒸汽流量不足而質(zhì)量偏重，難以維持懸浮。作者將傾斜蒸汽膜上的運動等效為物體沿斜面滑行，據(jù)此建立的加速度模型與實驗結(jié)果吻合良好。

3D打印毛細結(jié)構(gòu)存在成本高、制備周期長、難以規(guī)?；染窒?。為此，作者探索了多種天然多孔材料，發(fā)現(xiàn)墨魚骨和巴沙木因其多孔、低密度的特性，具有應(yīng)用潛力（圖4）。將二者浸入液氮后，在室溫條件下均可輕松實現(xiàn)超過1米的無摩擦輸運；單塊巴沙木甚至可額外托舉7塊相同材料，完成0.5米以上的無摩擦運輸。針對液氮蒸發(fā)快、懸浮狀態(tài)難以持久的問題，作者設(shè)計了環(huán)形軌道并在途中持續(xù)補充液氮。結(jié)果顯示，墨魚骨可在軌道上持續(xù)無摩擦運動，運行8米后速度未見衰減。盡管天然材料無法像3D打印結(jié)構(gòu)那樣精確控制結(jié)構(gòu)參數(shù)，但其成本極低、來源廣泛，在大尺寸、長距離無摩擦輸運領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

總結(jié)：本研究通過將液體限域在毛細通道內(nèi)，成功實現(xiàn)了毛細結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定懸浮。并將萊頓弗羅斯特臨界溫度從傳統(tǒng)上遠高于沸點，大幅壓低到僅略高于沸點（例如110°C），且整個過程無需對基底表面進行任何處理。通過改變毛細結(jié)構(gòu)的孔隙率與孔徑，可以進一步調(diào)控毛細結(jié)構(gòu)的相變模式，從接觸沸騰，到混合態(tài)再到懸浮態(tài)。并且，僅僅改變毛細通道的傾斜方向，就能讓毛細結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定向無摩擦運動。這一毛細萊頓弗羅斯特的效應(yīng)還可以移植到天然多孔材料上，從而為大尺寸、可持續(xù)的長距離無接觸輸運打開了現(xiàn)實通道。