香港城市大学王钻开教授等 Nature: 抑制莱顿弗罗斯特效应实现1000°C以上高效热能冷却

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徒手劈钢水^[1] 

赤脚踩炭火^[2]

迎头浇液氮^[3]

看到这些惊险刺激的挑战视频，你在惊奇之余，心中是否产生这样一个疑问：为什么他们没有受伤？

这背后的主要机理是莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect），即当液体（皮肤上的油脂和水，液氮）靠近远超其沸点的高温固体表面时，会快速蒸发并积累形成绝热的蒸汽层，使液体悬浮，阻断固液接触和传热，保护挑战人员免于被高温灼伤或低温冻伤。

中国历史上著名的章丘铁锅也是依靠这一原理实现了无涂层“不粘”锅。据说，章丘铁锅需经十二道工序，十八遍火候，在一千度左右的高温锤炼，经受万次锻打，直到锅如明镜。

莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）自1756年首次报导以来，便是极端高温冷却领域面临的一大难题，其使高效的液体冷却方式在航空/航天发动机，金属冶炼，核能发电，国防武器等极端高温领域失效，需要依靠热效率相对较低的气体冷却或其他冷却方式。如何在极端高温下抑制莱顿弗罗斯特效应，实现广域温度区间的高效液体冷却是热能工程领域的一座“圣杯”。

有鉴于此，香港城市大学王钻开教授与法国巴黎文理研究大学David Quéré教授、吉林大学于吉红院士合作，在最新一期的Nature报导了一种结构热装甲 (structured thermal armour, STA），通过创造性地引入绝热无机多孔膜使水滴可在1150°C超浸润而不悬浮，将极端高温环境下高效液体冷却的不可能转化为可能，彻底解决困扰了科研界和工业界266年的莱顿弗罗斯特效应带来的热学难题^[4]。

传统抑制莱顿弗罗斯特效应的方法是构造表面纹理（微米柱阵列或者多孔结构）作为排气通道并产生毛细力，促进固液接触，增强传热。这些研究为降低热阻主要围绕导热材料展开，将发生莱顿弗罗斯特效应的临界温度（Leidenfrost point，简称莱顿点）从200°C 仅提升至570°C。

该策略的局限性在于：继续升高温度，液体在接触导热材料前即快速蒸发并积累成完整的蒸汽层，屏蔽了固体表面的纹理。

为解决上述策略的局限性，新研发的结构热装甲反常规的引入了绝热无机多孔膜，减缓了液体在接触固体表面前的蒸发速率，使液体在1000°C以上的极端高温下依然可以接触膜表面并发生超铺展，被膜的毛细力牢牢固定住。

Video 1 水滴撞击1000°C的对比样品（上）和热结构装甲（下）的对比

该结构热装甲具有热异质性和多层级拓扑结构：

1）突出的导热不锈钢微柱阵列作为热桥以快速传热；

2）中间嵌入一层绝热的无机多孔膜以吸取和蒸发液体；

3）底层为U型通道用于气体排出（图1）。

图1 结构热装甲的设计。

图2 结构热装甲的性能。

这些异质元素的无缝集成，巧妙地实现了水滴在极端高温下的超浸润现象，以及快速热传导和气液自发相分离，即使在1150°C的极端高温下，仍能完全抑制莱顿弗罗斯特效应，并在整个温度区间（100-1150°C）均具有高效、可控的冷却性能（图2）。此外，该结构热装甲还可以制作成柔性器件，并紧固装配到各种形状的表面，对于难以直接微加工的表面具有巨大的应用潜力（图4）。

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Video 2 1000°C的大尺度样品的水流冷却对比

图3 测试结构热装甲的应用极限。

图4 弯曲和柔性结构热装甲。

该工作标题为“Inhibitingthe Leidenfrost effect above 1000°C for sustained thermal cooling”。香港城市大学王钻开教授，法国巴黎文理研究大学David Quéré教授及吉林大学于吉红院士为共同通讯联系人，香港城市大学博士后蒋孟男和王洋为共同第一作者。其他合作者包括香港城市大学机械工程学系系主任潘钦教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理张欢欢博士、博士生刘法钰和李玉超，以及香港理工大学工业及系统工程学系杜雪教授和博士生杜晗恒。

相关链接

1. https://www.youtube.com/watch?v=hlwi1XZg2EA

2. https://www.youtube.com/watch?v=zzzlPrfbCrQ

3. https://www.youtube.com/watch?v=Xj-prpHfyEY

4. Mengnan Jiang et al. Inhibitingthe Leidenfrost effect above 1,000°C for sustained thermal cooling.Nature 2022, 601, 568–572.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04307-3

5. James C. Bird. Hotsurfaces cooled by isolating steam from spray. Nature 2022.

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00123-5

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