香港城大王钻开教授、吉大于吉红院士等联手Nature：将水的研究做到极致！

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Leidenfrost效应，即液滴在热固体上的悬浮，已知会在高温下恶化传热。Leidenfrost点可以通过纹理材料来提高固液接触，并通过在表面布置通道以将润湿现象与蒸汽动力学分离。然而，在很宽的温度范围内最大化Leidenfrost点和热冷却可能是相互排斥的。2022年1月26日，香港城市大学王钻开，巴黎文理研究大学David Quéré及吉林大学于吉红共同通讯在Nature 在线发表题为“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling”的研究论文，该研究报告了一种结构热装甲的合理设计，可将Leidenfrost效应抑制到 1,150 °C，即比以前达到的温度高 600 °C，但仍保持热传递。该研究的设计包括用作热桥的钢柱、用于吸走和散布液体的嵌入式绝缘膜和用于疏散蒸汽的 U 形通道。具有对比热和几何特性的材料的共存协同地将通常均匀的温度转变为不均匀的温度，在所有温度下产生横向芯吸并增强热冷却。结构化热装甲仅受其熔点的限制，而不受设计故障的限制。该材料可以制成柔韧的，因此可以附着在对结构具有挑战性的基板上。该研究的策略具有在超高固体温度下实施高效水冷却的潜力，这是迄今为止未知的特性。

从钢铁，航空航天工业到核电站，日常生活和工业环境中都需要有效地冷却热表面。喷雾和/或喷射冷却等技术被广泛采用，因为它们结合了简单、散热能力和低耗水量。然而，这些技术在非常热的固体上受到限制。当温度超过所谓的Leidenfrost点 (LFP) 时，固体和液体之间会形成连续的蒸汽层，从而产生热阻并突然降低传热。

热冷却能力可以通过基板上水滴的寿命来表征。这个时间在Leidenfrost状态下通常为 10 到 100 秒，需要减少到小于 1 秒（非均质沸腾状态）以保持有效的热传递，这在固体非常热时是一个挑战。因此，当基板温度介于水的沸点和 LFP 之间时，通常会观察到感兴趣的状态，这表明向上移动 LFP 应该是保持热传递的首选途径。

增强 LFP 的传统方法依赖于使用纹理（如微柱或多孔结构），这有利于固液接触和有效的相变。使用这种策略，LFP 可以从其典型值 200 °C 提高到 450 °C。纹理通常具有导热性以最大限度地降低热阻，而 LFP 的限制来自于高温下大量产生的蒸汽，最终屏蔽了下面的纹理，防止液体传播并损害热交换 。

最近，研究表明，在硅柱阵列上设计具有高导热率（约 30 W m-1 K-1）和一维纳米孔的刚性膜可将 LFP 提高到约 570 °C。尽管这种设计巧妙地将蒸汽疏散与固液接触分离，但水滴的蒸发时间通常保持在 10 s 范围内（500 °C 和 570 °C 之间除外），这不允许在很宽的范围内实现高传热性能温度范围。该研究报告了一种结构热装甲的合理设计，可将Leidenfrost效应抑制到 1,150 °C，即比以前达到的温度高 600 °C，但仍保持热传递。

该研究的设计包括用作热桥的钢柱、用于吸走和散布液体的嵌入式绝缘膜和用于疏散蒸汽的 U 形通道。具有对比热和几何特性的材料的共存协同地将通常均匀的温度转变为不均匀的温度，在所有温度下产生横向芯吸并增强热冷却。结构化热装甲仅受其熔点的限制，而不受设计故障的限制。该材料可以制成柔韧的，因此可以附着在对结构具有挑战性的基板上。该研究的策略具有在超高固体温度下实施高效水冷却的潜力，这是迄今为止未知的特性。

参考消息：

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

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