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中科院化學(xué)所宋延林研究員團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：“分割Leidenfrost”效應(yīng)
2023-05-16  來源：高分子科技

  當(dāng)液滴置于高于沸點(diǎn)的固體表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“Leidenfrost效應(yīng)”，即液滴懸浮在高溫固體表面。這是因?yàn)橐旱卧诮佑|固體表面之前，底部發(fā)生劇烈汽化，液滴與基底之間形成了一個(gè)完整的蒸汽膜。這個(gè)蒸汽層具有傳熱差、摩擦小等特點(diǎn)，因此在熱量管理、減阻和微流控等領(lǐng)域具有重要意義，近年來引起了廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前的工作主要基于經(jīng)典的“Leidenfrost效應(yīng)”，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)“Leidenfrost氣膜”的有效調(diào)控。


  近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林研究員團(tuán)隊(duì)首次提出了“分割Leidenfrost效應(yīng)”的概念。他們發(fā)現(xiàn)，固體表面的浸潤性圖案能夠精確影響液滴的沸騰狀態(tài)。例如，液滴在120攝氏度的超親水表面呈現(xiàn)出接觸沸騰態(tài)，而在相同溫度的超疏水表面則呈現(xiàn)Leidenfrost態(tài)。通過在超疏水表面引入超親水區(qū)域，可以在一個(gè)液滴底部同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸沸騰和Leidenfrost沸騰兩種狀態(tài)。而且，設(shè)計(jì)超親水區(qū)域圖案還可以任意裁剪“Leidenfrost氣膜”，調(diào)控液滴底部蒸汽的流動(dòng)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液滴的精確控制。如圖1所示，在超疏水表面上構(gòu)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(jìn)而產(chǎn)生不平衡的蒸汽流，實(shí)現(xiàn)了液滴高速旋轉(zhuǎn)。最后，他們展示了“分割Leidenfrost效應(yīng)”在微機(jī)械驅(qū)動(dòng)和定向液滴輸送方面的潛在應(yīng)用。這項(xiàng)研究開辟了“Leidenfrost效應(yīng)”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(fā)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(huì)增副研究員和清華大學(xué)的孫超教授，第一作者是李安博士和李會(huì)增副研究員。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（基金號(hào) 11988102）的支持。 


圖1 液滴在圖案化浸潤性表面高速旋轉(zhuǎn) 


圖2 基于“分割Leidenfrost效應(yīng)”的應(yīng)用


  該工作是團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)控制液滴動(dòng)態(tài)行為研究的最新進(jìn)展之一。液滴操縱在微流控、防結(jié)冰和組合化學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，然而如何精確控制液滴動(dòng)態(tài)行為是當(dāng)前的研究難點(diǎn)。為此，宋延林團(tuán)隊(duì)基于異質(zhì)浸潤設(shè)計(jì)，研究了對(duì)液滴動(dòng)態(tài)行為的影響，系統(tǒng)性地提出了異質(zhì)浸潤控制液滴行為的規(guī)律，先后實(shí)現(xiàn)了液滴撞擊旋轉(zhuǎn)（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(zhuǎn)（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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