清華新聞網(wǎng)4月27日電 液滴接觸高溫固體表面時(shí),，會(huì)迅速在其底部形成一層穩(wěn)定的蒸汽膜（圖1A）,，從而有效抑制沸騰,，顯著降低液滴與表面之間的接觸摩擦力,，使液滴呈現(xiàn)出異常活躍的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)行為——這就是著名的萊頓弗羅斯特效應(yīng)（Leidenfrost effect）,。該效應(yīng)引發(fā)的界面輸運(yùn),、振蕩、穩(wěn)定性,、傳熱與傳質(zhì)等多樣性行為不僅在基礎(chǔ)物理研究中具有重要意義,，也在液體輸運(yùn)、生物樣品低溫存儲(chǔ),、熱能工程與能量轉(zhuǎn)換等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景,，因此備受科研人員關(guān)注,。
盡管萊頓弗羅斯特效應(yīng)的最早記錄可追溯到1756年（圖1A），但直到2006年,，才有研究提出利用萊頓弗羅斯特效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液滴自輸運(yùn)（即無需外力驅(qū)動(dòng)的定向運(yùn)動(dòng),，圖1B）,，并且這一研究至今仍在持續(xù)推進(jìn),。長期以來，為實(shí)現(xiàn)液滴定向運(yùn)動(dòng),，研究人員通過構(gòu)建具有空間非對(duì)稱性的微結(jié)構(gòu)表面（如棘輪狀紋理和梯度結(jié)構(gòu)等）,，打破液滴與基底間蒸汽流的對(duì)稱性，從而產(chǎn)生沿特定方向的驅(qū)動(dòng)力,。相比之下,，對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面則普遍被認(rèn)為只能非常有效地阻止液滴運(yùn)動(dòng)。
近日,，清華大學(xué)航院研究人員發(fā)現(xiàn)并揭示了一種全新的機(jī)制：在對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面上,，萊頓弗羅斯特液滴能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自驅(qū)動(dòng)（圖1C），這一發(fā)現(xiàn)打破了只有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)才能驅(qū)動(dòng)液滴定向輸運(yùn)的傳統(tǒng)觀點(diǎn),。
圖1. 萊頓弗羅斯特液滴及其自驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,。(A)萊頓弗羅斯特效應(yīng)（1756年報(bào)道）；(B)傳統(tǒng)方法利用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液滴定向輸運(yùn)（2006年提出）,；(C)對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面上的液滴自驅(qū)動(dòng)（本研究工作）
基于周期性對(duì)稱的脊結(jié)構(gòu)表面,，研究人員通過實(shí)驗(yàn)觀測和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬（圖2A），捕捉了氣-液界面動(dòng)力學(xué)與蒸汽輸運(yùn)之間的耦合過程,。研究發(fā)現(xiàn),，當(dāng)液滴與熱表面接觸時(shí)，脊結(jié)構(gòu)周圍形成非對(duì)稱的氣-液流動(dòng),，從而產(chǎn)生具有方向性的蒸汽壓力,，推動(dòng)液滴沿特定方向運(yùn)動(dòng)。從更廣義的角度看,，這種現(xiàn)象被稱為“自發(fā)對(duì)稱性破缺”：一個(gè)最初對(duì)稱的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化成一個(gè)對(duì)稱性被打破的狀態(tài),。該研究創(chuàng)新性地建立了氣-液系統(tǒng)振蕩理論模型（圖2B），揭示了具有不對(duì)稱性穩(wěn)定振蕩的氣-液界面形成定向驅(qū)動(dòng)力的機(jī)制,，為自發(fā)對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的自驅(qū)動(dòng)行為提供了理論解釋,。特別值得注意的是，在該對(duì)稱系統(tǒng)中,，盡管在每個(gè)脊結(jié)構(gòu)單元中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力是獨(dú)立的,，但所有脊結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)形成方向一致的驅(qū)動(dòng)力，使得自驅(qū)動(dòng)行為不受制于液滴的長度,。這一機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)非對(duì)稱基底（圖1B）依賴蒸汽粘性力的驅(qū)動(dòng)方式,。
圖2. 液體自驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程,。(A)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果；(B)氣-液界面振蕩理論模型,；(C, D)液滴輸運(yùn)速度與其長度,、基底溫度及幾何結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了液滴自驅(qū)動(dòng)的相關(guān)理論，準(zhǔn)確預(yù)測了液滴的長度,、位移和速度等隨時(shí)間的變化規(guī)律,，并揭示了液體與固體表面之間的溫差及表面紋理幾何結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)液滴輸運(yùn)速度的影響（圖2C、D）,。除了水液滴外,，該機(jī)制還適用于液氮、乙醇等諸多液體,，并能夠在具有不同幾何尺寸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面上實(shí)現(xiàn)液滴自驅(qū)動(dòng),，展示出廣泛的適用性。有趣的是,，通過設(shè)計(jì)并制備沿圓周方向?qū)ΨQ排列的脊結(jié)構(gòu)基底,，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)液滴或液環(huán)（圖3）持續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成穩(wěn)定的流體轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng),。通過持續(xù)添加液體,，可實(shí)現(xiàn)其長時(shí)間穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，這一創(chuàng)新性設(shè)計(jì)為開發(fā)新型流體熱機(jī)系統(tǒng)提供了思路,。
圖3. 沿圓周方向?qū)ΨQ排列的脊結(jié)構(gòu)表面上的液體自驅(qū)動(dòng),。(A)液滴運(yùn)動(dòng)；(B)液環(huán)旋轉(zhuǎn)
相關(guān)研究成果以“對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面上通過自發(fā)對(duì)稱性破缺實(shí)現(xiàn)的萊頓弗羅斯特液體推進(jìn)”（Leidenfrost propulsion on symmetric textured surfaces via spontaneous symmetry breaking）為題,，于4月25日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）,。
本研究突破了萊頓弗羅斯特效應(yīng)對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)依賴，揭示了界面自發(fā)對(duì)稱性破缺在物質(zhì)驅(qū)動(dòng)以及非平衡態(tài)固-液-氣動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用,，這一原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)開辟了萊頓弗羅斯特效應(yīng)新的研究方向,。
清華大學(xué)航院史松林博士為論文第一作者，清華大學(xué)航院呂存景副教授,、德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)斯特芬·哈特（Steffen Hardt）教授為論文的共同通訊作者,。其他作者還有清華大學(xué)航院馬晨博士。該成果得到了國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目,、創(chuàng)新群體項(xiàng)目等的資助,。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt6677
供稿：航院
編輯：李華山
審核：周襄楠
