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中科院化學所宋延林研究員團隊《Nat. Commun.》：“分割Leidenfrost”效應

2023-05-16 來源：高分子科技

當液滴置于高于沸點的固體表面時，會出現“Leidenfrost效應”，即液滴懸浮在高溫固體表面。這是因為液滴在接觸固體表面之前，底部發生劇烈汽化，液滴與基底之間形成了一個完整的蒸汽膜。這個蒸汽層具有傳熱差、摩擦小等特點，因此在熱量管理、減阻和微流控等領域具有重要意義，近年來引起了廣泛關注。然而，當前的工作主要基于經典的“Leidenfrost效應”，難以實現對“Leidenfrost氣膜”的有效調控。

近日，中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室宋延林研究員團隊首次提出了“分割Leidenfrost效應”的概念。他們發現，固體表面的浸潤性圖案能夠精確影響液滴的沸騰狀態。例如，液滴在120攝氏度的超親水表面呈現出接觸沸騰態，而在相同溫度的超疏水表面則呈現Leidenfrost態。通過在超疏水表面引入超親水區域，可以在一個液滴底部同時實現接觸沸騰和Leidenfrost沸騰兩種狀態。而且，設計超親水區域圖案還可以任意裁剪“Leidenfrost氣膜”，調控液滴底部蒸汽的流動方向，進而實現液滴的精確控制。如圖1所示，在超疏水表面上構筑“Z”形的超親水圖案，可以將“Leidenfrost氣膜”分割成互不相連的兩部分，進而產生不平衡的蒸汽流，實現了液滴高速旋轉。最后，他們展示了“分割Leidenfrost效應”在微機械驅動和定向液滴輸送方面的潛在應用。這項研究開辟了“Leidenfrost效應”研究的新方向，在蒸氣能利用方面顯示出巨大潛力。該工作以“Tailoring vapor film beneath a Leidenfrost drop”為題發表在《Nature communications》上（Nat Commun 2023, 14, 2646）。文章通訊作者是宋延林研究員、李會增副研究員和清華大學的孫超教授，第一作者是李安博士和李會增副研究員。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金基礎科學中心項目（基金號 11988102）的支持。

圖1 液滴在圖案化浸潤性表面高速旋轉

圖2 基于“分割Leidenfrost效應”的應用

該工作是團隊精準控制液滴動態行為研究的最新進展之一。液滴操縱在微流控、防結冰和組合化學等領域具有重要應用，然而如何精確控制液滴動態行為是當前的研究難點。為此，宋延林團隊基于異質浸潤設計，研究了對液滴動態行為的影響，系統性地提出了異質浸潤控制液滴行為的規律，先后實現了液滴撞擊旋轉（Nat Commun, 2019, 10, 950）、液滴撞擊切割（Angew Chem, 2020, 59, 10535）、液滴多行為操縱（Sci Adv, 2020, 6, eaay5808）、液滴撞擊偏轉（Nat Commun, 2021, 12, 6899）和物體漂浮控制（PNAS, 2022, 119, e2201665119）等。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38366-z

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（責任編輯：xu）

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