中科院化学所宋延林研究员团队《Nat. Commun.》：“分割Leidenfrost”效应

2023-05-16 来源：高分子科技

当液滴置于高于沸点的固体表面时，会出现“Leidenfrost效应”，即液滴悬浮在高温固体表面。这是因为液滴在接触固体表面之前，底部发生剧烈汽化，液滴与基底之间形成了一个完整的蒸汽膜。这个蒸汽层具有传热差、摩擦小等特点，因此在热量管理、减阻和微流控等领域具有重要意义，近年来引起了广泛关注。然而，当前的工作主要基于经典的“Leidenfrost效应”，难以实现对“Leidenfrost气膜”的有效调控。

近日，中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林研究员团队首次提出了“分割Leidenfrost效应”的概念。他们发现，固体表面的浸润性图案能够精确影响液滴的沸腾状态。例如，液滴在120摄氏度的超亲水表面呈现出接触沸腾态，而在相同温度的超疏水表面则呈现Leidenfrost态。通过在超疏水表面引入超亲水区域，可以在一个液滴底部同时实现接触沸腾和Leidenfrost沸腾两种状态。而且，设计超亲水区域图案还可以任意裁剪“Leidenfrost气膜”，调控液滴底部蒸汽的流动方向，进而实现液滴的精确控制。如图1所示，在超疏水表面上构筑“Z”形的超亲水图案，可以将“Leidenfrost气膜”分割成互不相连的两部分，进而产生不平衡的蒸汽流，实现了液滴高速旋转。最后，他们展示了“分割Leidenfrost效应”在微机械驱动和定向液滴输送方面的潜在应用。这项研究开辟了“Leidenfrost效应”研究的新方向，在蒸气能利用方面显示出巨大潜力。该工作以“Tailoring vapor film beneath a Leidenfrost drop”为题发表在《Nature communications》上（Nat Commun 2023, 14, 2646）。文章通讯作者是宋延林研究员、李会增副研究员和清华大学的孙超教授，第一作者是李安博士和李会增副研究员。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金基础科学中心项目（基金号 11988102）的支持。

图1 液滴在图案化浸润性表面高速旋转

图2 基于“分割Leidenfrost效应”的应用

该工作是团队精准控制液滴动态行为研究的最新进展之一。液滴操纵在微流控、防结冰和组合化学等领域具有重要应用，然而如何精确控制液滴动态行为是当前的研究难点。为此，宋延林团队基于异质浸润设计，研究了对液滴动态行为的影响，系统性地提出了异质浸润控制液滴行为的规律，先后实现了液滴撞击旋转（Nat Commun, 2019, 10, 950）、液滴撞击切割（Angew Chem, 2020, 59, 10535）、液滴多行为操纵（Sci Adv, 2020, 6, eaay5808）、液滴撞击偏转（Nat Commun, 2021, 12, 6899）和物体漂浮控制（PNAS, 2022, 119, e2201665119）等。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38366-z

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（责任编辑：xu）

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