洒在热煎锅上的几滴水很快就会蒸发掉。然而，同样的液滴在温度高得多的平底锅上，却可以通过漂浮在自身绝缘的蒸汽上而保持完好无损——这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）。莱顿弗罗斯特现象，在1732年为赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）首次发现，其后在1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）作出更深入的研究，并书于《论普通水的性质》（A Tract About Some Qualities of Common Water）一文之中。当液体接触一块远超其沸点的物件时，液体表面会产生出一层有隔热作用的蒸气，令液体沸腾的速度大大减慢(Figure 1)。
Figure 1. 莱顿弗罗斯特现象下的液体
莱顿弗罗斯特效应在需要强水冷却的应用中可能产生可怕的后果，例如在核电站中由于莱顿弗罗斯特现象而导致的低效冷却可能导致堆芯熔毁。将水蒸发成蒸汽需要大量的潜能，这是在相变过程中释放或吸收的能量。当这种潜能从煎锅等热物体中吸收时，物体表面会迅速冷却，这种效应在许多应用中得到了利用，这些应用属于两类之一。目标是快速将加热的物体恢复到其原始温度-例如，当炽热的金属通过快速冷却硬化时-或防止物体过热。
在从先进的电子设备到核反应堆的各种情况下，当冷却速度不足以克服内部产生热量的速度时，就会发生过热。尽管潜能吸收提供了一种显着的冷却机制，但如果触发莱顿弗罗斯特效应，则存在温度快速、不受控制的升高的风险。因此，内部热量产生需要保持在临界水平以下，通常以牺牲效率或性能为代价。
鉴于此，香港城市大学王钻开教授、巴黎文理研究大学David Quéré教授、吉林大学于吉红院士报道了一种能够抑制莱顿弗罗斯特效应的表面设计，允许喷雾冷却温度超过1100℃，比已有的替代策略高出600℃，全文展示了一种创新的方法和对研究系统的清晰理解，这两者注定会激发未来的冷却策略。相关研究成果以题“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling”发表在最新一期《Nature》上。
【原理设计】
当一个物体在室温下被空气包围时，它的冷却速度随着其表面温度的升高而增加。相比之下，当物体被水包围时，随着表面温度的升高，冷却速率先升高后降低再升高(Figure2a)。这种现象之所以会发生，是因为莱顿弗罗斯特现象。当表面温度高到足以蒸发足够的蒸汽以在液体和表面之间形成绝缘间隙时，冷却速率下降，只有当表面温度大约超过1100℃时，冷却速率才恢复到以前的水平。因此，如果表面温度被迫上升到冷却速率开始下降的临界水平以上，那么表面温度就会变得不稳定，并且在沸腾危机的过程中无法控制地增加。为了设计出在创纪录的高温下达到高冷却率的表面设计，研究人员在导热微柱之间熔接了一层绝缘网(Figure2b)。网格是由二氧化硅纤维制成的，这些纤维吸收水滴，并将它们吸引到钢质微柱上，在那里液体蒸发。然后水蒸气通过网格下面的u形通道逸出。
Figure 2. 抑制喷雾冷却莱顿弗罗斯特现象
【STA设计与表征】
研究人员构建了具有对比热和几何特性的关键元素的多纹理材料（图1a）。在架构上，这种设计类似于之前开发的层次结构。然而，一个关键的区别是热量在钢底座和支柱之间快速传导，但在网状膜中传导缓慢。这种不匹配是至关重要的，因为这意味着蒸汽是在柱子和网格相遇的地方产生的，它不会干扰网格对液体的吸收。
图 1. STA设计
事实上，研究人员发现当他们通过使膜和柱都具有导热性来消除这一特征时，表面被有效地冷却到高达 500 °C 的温度——这与之前设计的极限一致——但不会超过这一点。通过引入不匹配的电导率，研究人员表明，他们的表面可以在超过1100℃的超高温下喷雾冷却。这个数值特别相关，因为1100℃是处于沸腾危机中的材料恢复对内部产生的热量进行冷却的能力的温度。这一结果表明，表面上或许可以避免这场沸腾的危机，而不仅仅是拖延。
图2a显示了不同样品的寿命τ如何随温度的变化而变化。与样品A、B形成鲜明对比的是，STA中既没有发现混合状态也没有发现LFP（图2b），其中时间τ比样本A和B上的时间小两个数量级。对STA的莱顿弗罗斯特效应的抑制伴随着传热性能的提高（图2c）。作者测试了热样品暴露于单滴和多滴的响应，这是与喷雾冷却相关的情况，结果反映了STA的持久超润湿能力（图2d）。图2e、2f表明热冷却可以被多重影响放大。
图 2. STA材料的性能
研究人员将机理模型与大量的系统实验结合起来，使他们能够形成并验证设计参数的预测。这是该研究最有影响力的贡献，因为它提供了对这些参数如何影响冷却速度的深入理解，因此可以指导未来的改进。例如提高峰值降温速率就是这样一种改进。研究小组的模拟表明，这可以通过增大网孔尺寸(以便更快地将液体吸引到支柱上)和加深通道(以便加快清除多余的蒸汽)来实现。对于过热问题的应用，最好是使冷却速率随温度而急剧增加，而不是像目前的设计那样保持不变。一些小的改变，例如不均匀的网格或不同深度的通道，可能会随着温度的升高而被动地调节水和蒸汽的流动，从而实现这种急剧增加。
图 3. 测试STA的极限
【STA设计的推广】
研究人员使用金属丝/电火花加工技术在曲面和大尺寸表面上制造STA结构。图4a显示了在钢球上制作的STA，其冷却性能与在平板上相当。同时还可以在0.5mm厚的钢膜上设计柔性STA，可以将其钎焊在各种平面或圆柱形基材上（图4b）。如图4c所示，水射流(20ml min -1)会导致表面温度快速下降约900°C，而与基材几何形状无关。表面颜色的变化证明了这种强烈的冷却（图4c中的插图），而没有柔性装甲则没有观察到明显的效果。因此，本文的策略是通用的：使装甲具有灵活性，将STA的应用领域扩展到其他难以通过标准处理纹理化的表面，例如管道和导管的内部，这可能会为热管理提供新的解决方案。
图 4. 弯曲灵活的STA
【总结】
研究人员报告了一种结构热表面的合理设计，可将莱顿弗罗斯特效应抑制到1150 °C，即比之前达到的温度高600 °C，但仍保持热传递。该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以及用于排出蒸汽的U形通道。具有对比热和几何特性的材料的共存共同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。结构化热表面仅受其熔点的限制，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。该策略具有在超高固体温度下实现高效水冷却的潜力，这是迄今为止未知的特性。
来源：高分子科学前沿
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