清華新聞網(wǎng)4月27日電 液滴接觸高溫固體表面時，會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)則運動行為——這就是著名的萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）。該效應引發(fā)的界面輸運、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、生物樣品低溫存儲、熱能工程與能量轉(zhuǎn)換等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，因此備受科研人員關(guān)注。
盡管萊頓弗羅斯特效應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實現(xiàn)液滴自輸運（即無需外力驅(qū)動的定向運動，圖1B），并且這一研究至今仍在持續(xù)推進。長期以來，為實現(xiàn)液滴定向運動，研究人員通過構(gòu)建具有空間非對稱性的微結(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稱性，從而產(chǎn)生沿特定方向的驅(qū)動力。相比之下，對稱結(jié)構(gòu)表面則普遍被認為只能非常有效地阻止液滴運動。
近日，清華大學航院研究人員發(fā)現(xiàn)并揭示了一種全新的機制：在對稱結(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（圖1C），這一發(fā)現(xiàn)打破了只有非對稱結(jié)構(gòu)才能驅(qū)動液滴定向輸運的傳統(tǒng)觀點。
圖1. 萊頓弗羅斯特液滴及其自驅(qū)動現(xiàn)象。(A)萊頓弗羅斯特效應（1756年報道）；(B)傳統(tǒng)方法利用非對稱結(jié)構(gòu)驅(qū)動液滴定向輸運（2006年提出）；(C)對稱結(jié)構(gòu)表面上的液滴自驅(qū)動（本研究工作）
基于周期性對稱的脊結(jié)構(gòu)表面，研究人員通過實驗觀測和計算流體動力學模擬（圖2A），捕捉了氣-液界面動力學與蒸汽輸運之間的耦合過程。研究發(fā)現(xiàn)，當液滴與熱表面接觸時，脊結(jié)構(gòu)周圍形成非對稱的氣-液流動，從而產(chǎn)生具有方向性的蒸汽壓力，推動液滴沿特定方向運動。從更廣義的角度看，這種現(xiàn)象被稱為“自發(fā)對稱性破缺”：一個最初對稱的系統(tǒng)動態(tài)演化成一個對稱性被打破的狀態(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），揭示了具有不對稱性穩(wěn)定振蕩的氣-液界面形成定向驅(qū)動力的機制，為自發(fā)對稱性破缺誘導的自驅(qū)動行為提供了理論解釋。特別值得注意的是，在該對稱系統(tǒng)中，盡管在每個脊結(jié)構(gòu)單元中產(chǎn)生的驅(qū)動力是獨立的，但所有脊結(jié)構(gòu)會自發(fā)形成方向一致的驅(qū)動力，使得自驅(qū)動行為不受制于液滴的長度。這一機制完全不同于傳統(tǒng)非對稱基底（圖1B）依賴蒸汽粘性力的驅(qū)動方式。
圖2. 液體自驅(qū)動的動力學過程。(A)實驗及計算流體動力學模擬結(jié)果；(B)氣-液界面振蕩理論模型；(C, D)液滴輸運速度與其長度、基底溫度及幾何結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系
研究團隊進一步建立了液滴自驅(qū)動的相關(guān)理論，準確預測了液滴的長度、位移和速度等隨時間的變化規(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)尺寸對液滴輸運速度的影響（圖2C、D）。除了水液滴外，該機制還適用于液氮、乙醇等諸多液體，并能夠在具有不同幾何尺寸的對稱結(jié)構(gòu)表面上實現(xiàn)液滴自驅(qū)動，展示出廣泛的適用性。有趣的是，通過設(shè)計并制備沿圓周方向?qū)ΨQ排列的脊結(jié)構(gòu)基底，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動液滴或液環(huán)（圖3）持續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，形成穩(wěn)定的流體轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。通過持續(xù)添加液體，可實現(xiàn)其長時間穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，這一創(chuàng)新性設(shè)計為開發(fā)新型流體熱機系統(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。(A)液滴運動；(B)液環(huán)旋轉(zhuǎn)
相關(guān)研究成果以“對稱結(jié)構(gòu)表面上通過自發(fā)對稱性破缺實現(xiàn)的萊頓弗羅斯特液體推進”（Leidenfrost propulsion on symmetric textured surfaces via spontaneous symmetry breaking）為題，于4月25日在線發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）。
本研究突破了萊頓弗羅斯特效應對非對稱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)依賴，揭示了界面自發(fā)對稱性破缺在物質(zhì)驅(qū)動以及非平衡態(tài)固-液-氣動力系統(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新的研究方向。
清華大學航院史松林博士為論文第一作者，清華大學航院呂存景副教授、德國達姆施塔特工業(yè)大學斯特芬·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航院馬晨博士。該成果得到了國家自然科學基金委重點項目、創(chuàng)新群體項目等的資助。
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
