香港城市大学/巴黎文理研究大学/吉林大学Nature：突破百年Leidenfrost效应，千度表面遇水而寒

王钻开科研团队研之成理

第一作者: 蒋孟男，王洋

通讯作者: 王钻开，David Quéré，于吉红

通讯单位: 香港城市大学，巴黎文理研究大学，吉林大学

论文DOI: 10.1038/s41586-021-04307-3

全文速览

我国航空航天、核技术、5G、量子通讯等高精尖技术正处在高速发展阶段，然而由于高效传热技术发展的相对滞后性，其已逐渐成为制约我国高新科技快速发展的瓶颈问题。尤其对于极端高温壁面的高效液冷技术，长久以来都是科学史和工程领域的一项世界级挑战。这项挑战源自于1756年提出的莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect），该效应使液体在面对高于莱顿弗罗斯特温度点（LFP，通常约200°C）的高温壁面时，由于液体快速蒸发而产生的蒸气层将液体完全悬浮起来，导致冷却失效。本工作从最根本的物理机制上突破了这项已存在266年的科学挑战及工程瓶颈问题，设计和构建了柔性结构热装甲（Structured Thermal Armor STA），使高效液冷失效的LFP由常规300°C以下提高到1150°C以上，且该LFP仅取决于材料的耐温极限，而不再受设计所限。本工作的发现，令传统观念里对极端高温壁面的高效液冷技术由望而却步转变为计日可期，对我国民用领域的核安全防控，下一代核反应堆的设计及小型化，灭火，金属冶炼技术，及军工领域的航空、航天超高温发动机设计，国防武器的持续射击及维护问题等均具有应用前景。

背景介绍

Leidenfrost效应，最早在1732年，由荷兰植物学家和医生赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）首次发现。直到1756年，由德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）进行深入研究，发表于《论普通水的性质》（A Tract About Some Qualities of Common Water）一书中，而后被正式命名为Leidenfrost效应。Leidenfrost效应，指当液体滴落在温度远超其沸点的固体表面时（约200°C，即莱顿弗罗斯特温度点，LFP），在液体与超高温表面之间瞬间产生一层绝热的蒸汽层，使液体悬浮并阻断固-液接触，导致传热效果显著降低、液冷失效，进而引发严重的热危机问题。

▲图1，约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特，书籍《论普通水的性质》（A Tract About Some Qualities of Common Water, 1756），液滴在微结构表面约300°C 出现Leidenfrost现象。

长久以来科学家一直在探索如何提高固体表面LFP，以增强液体对高温壁面的相变传热效率，然而却始终无法克服这个挑战。困难的根源在于其背后存在的一系列矛盾问题：

1. 传热层面：高传热性与高LFP相互排斥。高温物体需要导热材质，将内部热量快速而持续地传递到表面，被液体（冷媒）转移。然而，导热的高温壁面在增强传热的同时，也同样加快了固、液界面之间蒸气的产生，反而导致液体更快脱离壁面，阻断传热，无法有效提升LFP。

2. 界面层面：固-液与固-气界面在有限空间内竞争。液体在高温壁面沸腾时，在固-液界面之间产生的大量蒸气降低固-液接触面积，形成固-液与固-气之间的界面之争。如何合理调控固-液与固-气界面，也是有效抑制Leidenfrost效应的关键。

3. 加工层面：精密加工与实用性难以兼得。为了提高LFP，研究者往往采用精密微、纳加工方式在固体表面形成特殊纹理结构，但这些精密结构极容易在实际应用中遭到破坏而失去作用。如何开发简易、普适的耐磨结构，是能否将科学技术推向工业化的重中之重。

本文亮点

1. 突破百年Leidenfrost效应。本工作打破了传统的传热设计理念和结构体系，反常规的使用了绝热材料来增强导热，构建了导热与绝热材料相结合的热异相及多层级拓扑结构，从最根本的物理机制上突破莱顿弗罗斯特效应对传热的限制，将Leidenfrost效应的限制从复杂的物理层面转换为材料的耐温极限层面。

2. 实现极端高温壁面高效液冷散热。本工作同时实现了液体在极端高温表面（1000°C以上）的超浸润，气、液自发相分离及高效接触沸腾，从而在整个温度区间（100-1000°C以上）均具有高效、可控、且持续的液冷效果，突破性的实现高LFP与高传热性并存。

3. 开发普适结构具有广泛应用前景。本工作所构建的结构热装甲采用传统机械加工方式，具备加工简易、应用普适且结构耐磨的特点，更可以制备成柔性器件，紧固装配在多种形状的表面，赋予常规表面结构同样具有高效液冷的能力，这对于难以直接微加工的表面具有巨大的实用潜力。另外，该结构热装甲对Leidenfrost效应的抑制能力，对不同工质也是普适的，不仅适用于常规工质（如，水），还适用于具有极低沸点的低温工质（如，液氮），进一步扩大了冷却工质的选择范围。

图文解析

▲图2. STA结构示意图及液滴在不同结构表面（1000°C）的动态。

设计原则：

本工作构建的结构热装甲（STA），具有热异相性及多层级拓扑结构：结构整体由贯穿的导热柱体支撑，以起到快速传热作用（热桥）；中层嵌有绝热的多孔薄膜，在液滴撞击过程中瞬间形成局部低温区域，以实现浸润，并径向铺展液体的作用；底层的U型槽既可作为排气通道及时排出蒸气，又可阻止绝热膜在液滴撞击或浸润时下沉，防止通道堵塞。该结构充分利用了热桥原理、热异相复合材料及多层级结构，同时实现了快速热传导，液体在极端高温下的超浸润，及气、液自发相分离，即使在1150°C的极端高温下（材料耐温极限），仍能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、持续的冷却性能。

要点：

1. 液滴（水）撞击高温（1000°C）普通阵列结构（Sample A），由于产生Leidenfrost效应，而完全无法接触高温表面，弹离高温表面。

2. 在Sample A中填充绝热多孔膜，但是未保留底部蒸气通道形成Sample B结构。液滴撞击高温Sample B（1000°C）时，由于绝热多孔膜的巨大毛细作用，液滴在初始阶段可以浸润结构。但是受限于没有排气通道，产生的大量蒸气迅速积累在固-液界面之间，瞬间将液体弹起，形成Leidenfrost现象。

3. 液滴撞击高温（1000°C）STA，可在结构表面持续浸润、铺展、沸腾，传热性能得到极大提升。一滴液滴完全蒸发所用时间比在Sample A及Sample B表面减小2个数量级。

4. 即使将液滴由常规的冷却介质（水）换成低温冷却介质（液氮），STA结构在极端高温下的超浸润性能仍然有效。

▲图3. STA性能表征。

要点：

1. 结构传热性能的高低可以通过液滴在其表面的蒸发时间快慢来表征。通常，形成Leidenfrost现象的液滴，其蒸发时间要持续几十秒，远远达不到高效传热的标准（期待1秒以下）。而对于STA结构，在150-1000°C的整个温度区间，液滴蒸发时间均小于1s，其对应的热流也比Sample A与Sample B高出一个数量级。

2. 在单滴及连续液滴（4 mL/min）对三种高温结构实际降温中发现（温度测点在距阵列顶部1mm），液滴对Sample A几乎没有降温效果（冷却失效），对Sample B有少量降温效果（由于液滴部分浸润），而对STA则有明显降温效果，在极低的液体流量下，即可将STA由1000°C降低到100°C。STA结构的平衡温度及降温速率也是可控的，可以通过调节冷却水流率来控制。

▲图4. 曲面STA及柔性STA。

要点：

1. STA的加工可采用传统线切割技术，不仅可在平面的结构表面加工，也可在曲面表面加工，均具有高效液冷性能。

2. STA更可制备成超薄柔性器件，通过焊接紧固在多种结构表面（平面、曲面等），使难以直接进行表面加工的结构也可以具备高效液冷性能，极大拓展了STA应用的普适性。

总结与展望

本工作设计了一种热异相材料复合的多层级结构热装甲，突破了百年Leidenfrost效应对液冷的限制，开发了极端高温壁面的高效液冷技术。同时，该结构热装甲具有对结构（平面、曲面）及冷却介质（水、液氮）的普适性，更可制备成柔性器件紧固装配在多种形状的结构表面，赋予这些结构高效液冷的能力。该项研究成果是表界面科学、热学、材料科学、流体动力学、能源及工程学等跨领域的集成创新，解决了热学领域中长久存在的科学及工程瓶颈问题，有望为我国极端高温领域的高精尖装备解决散热方面的一大难题，助力我国新一代高新科技持续迅猛发展。

原文链接：

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

作者介绍

王钻开

王钻开，香港城市大学机械工程系讲座教授。现为香港青年科学院创始成员，国际仿生学会Fellow, 工学院副院长。曾获得第二届科学探索奖（香港首届），国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖，提出的科研问题入选2021十大科学技术问题。

https://wangzuankai.wixsite.com/wanglab

David Quéré

David Quéré，法国巴黎文理研究大学教授。师从诺贝尔奖获得者、法国物理学家Pierre-Gilles de Gennes教授，主要研究方向是软物质物理和流体力学。他曾任职于法国巴黎高等物理化工学院、巴黎高等师范学校、麻省理工学院、清华大学。曾担任法国圣戈班集团、宝洁公司、日本尼康公司的科学顾问。Europhysics Letters 期刊共同编辑，Physical Review Fluids期刊副主编。2001年获得法国科学院颁发的Ernest-Dechelle奖，2014年获得法国国家科学研究中心颁发的银质奖章。2016年获得法国高等物理化工学院的杰出教授。2021年获得美国物理学会颁发的流体力学奖。

https://blog.espci.fr/interfaces/

于吉红

于吉红，中国科学院院士，世界科学院院士，欧洲科学院外籍院士，瑞典皇家科学院外籍院士，吉林大学未来科学国际合作联合实验室主任，吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室教授。曾任英国皇家化学会Chemical Science副主编（2012-2020），2021年起担任美国化学会Journal of the American Chemical Society执行主编，现任《高等学校化学学报》和Chemical Research in Chinese Universities主编，Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews, JACS-Au, Advanced Materials, Chem, Matter, ACS Nano等国际期刊编委/顾问编委，中国化学会副理事长、中国化学会分子筛专业委员会主任。其主要研究方向为分子筛纳米孔材料的设计合成及其在能源、环境及新兴领域的应用。曾获得国家自然科学二等奖2项，获国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）化学化工杰出女性奖，何梁何利基金科学与技术进步奖，“全国模范教师”荣誉称号等。

http://melab.jlu.edu.cn/info/1177/1973.htm