高功率密度設備的熱管理是化學工程與能源領域面臨的關鍵挑戰(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)有效調控。以往的研究大多依賴對加熱表面進行微納結構設計、潤濕性修飾或構造溫度梯度，以被動引導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雜、成本高、耐久性不足等問題，且難以在具有復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，成為熱管理領域的重要科學問題。
近期，香港城市大學Steven Wang教授、 加州大學伯克利分校的Thomas Schutzius教授與墨爾本大學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。
該研究報導了一種全新的“毛細萊頓弗羅斯特效應”（圖1）。與傳統(tǒng)液滴萊頓弗羅斯特效應不同，該研究通過引入毛細結構，將液體限域在毛細結構中蒸發(fā)，可在顯著低于經典萊頓弗羅斯特點的溫度下，實現(xiàn)固體結構的穩(wěn)定、持久懸浮，且無需對毛細結構表面、基底表面做任何預處理或微納加工。這是首次將傳統(tǒng)的液體萊頓弗羅斯特效應應用到固體結構上。同時，通過調節(jié)毛細結構的孔徑、孔隙率等參數(shù)，還能主動調控相變模式，定制萊頓弗羅斯特溫度點。這一效應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。
圖1. 毛細萊頓弗羅斯特效應。
作者通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm）制作了毛細通道陣列結構，打印材料選用了摩方精密開發(fā)的耐高溫樹脂（HT200）。從打印結構的上表面注入液體，利用毛細作用將液體泵入毛細通道內蒸發(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)。與經典液滴的劇烈振動、跳躍等動態(tài)行為不同，固體毛細結構表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。通過間歇補水，毛細結構可以實現(xiàn)長達10分鐘的穩(wěn)定懸浮，且氣膜厚度穩(wěn)定。毛細結構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)，本結構實現(xiàn)了最低的萊頓弗羅斯特溫度點，且無需任何表面處理。
圖2. 毛細萊頓弗羅斯特效應的特征與機制。
在同一熱板溫度下，對比實驗顯示：普通液滴迅速沸騰，數(shù)秒內完全蒸發(fā)；而毛細結構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，毛細結構的萊頓弗羅斯特臨界溫度顯著低于傳統(tǒng)液滴。進一步改變毛細結構的孔徑與孔隙率發(fā)現(xiàn)，萊頓弗羅斯特點具有可調性。在不同溫度下，通過調整結構參數(shù)，毛細結構可呈現(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)律為未來毛細結構的設計提供了明確指導（圖2）。
圖3. 毛細結構的定向運動。
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)，通過調整毛細通道的傾斜角度來改變蒸汽的排放方向，可在結構下方形成一層略微傾斜的蒸汽膜，從而產生水平方向的驅動力。這一機制使毛細結構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，運動效果最佳；傾角過小時驅動力不足，傾角過大則會導致結構前端因蒸汽流量不足而質量偏重，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果吻合良好。
3D打印毛細結構存在成本高、制備周期長、難以規(guī)模化等局限。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，最具應用潛力。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，作者設計了環(huán)形軌道并在途中持續(xù)補充液氮。結果顯示，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打印結構那樣精確控制結構參數(shù)，但其成本極低、來源廣泛，在大尺寸、長距離無摩擦輸運領域具有重要應用前景。
總結：本研究通過將液體限域在毛細通道內，成功實現(xiàn)了毛細結構的穩(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。通過改變毛細結構的孔隙率與孔徑，可以進一步調控毛細結構的相變模式，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，就能讓毛細結構實現(xiàn)定向無摩擦運動。這一毛細萊頓弗羅斯特效應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。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41567-026-03255-x
