【材料】液滴“蒸汽机”：利用浸润性图案裁减蒸汽膜- 大数跨境

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2023-05-18

导读：中国科学院化学研究所的宋延林课题组在Nat. Commun.杂志上在线发表研究论文，报道了通过浸润性图案裁减Leidenfrost气膜，调节液滴蒸汽动力学，实现Leidenfrost液滴的精确控制。

高温表面液滴的行为控制在喷雾冷却、燃料燃烧和微流控中发挥着重要作用。表面温度是决定液滴行为的关键因素之一。当表面温度达到一个临界温度，即Leidenfrost温度时，液滴会突然从剧烈沸腾转变为稳定蒸发，这是因为液滴与基底之间形成了一个完整的蒸气膜。由于蒸汽膜的导热性差、摩擦力小，在Leidenfrost状态下，液滴能够稳定存在数分钟且可以近乎“无摩擦”地长距离运动。

近年来，大量的研究试图通过在基底上制造物理拓扑结构来调节Leidenfrost液滴的行为。然而，由于微尺度相变的不可控性和蒸汽流动的复杂性，Leidenfrost液滴的精确控制仍然存在挑战。

中国科学院化学研究所的宋延林课题组在Nat. Commun.杂志上在线发表研究论文，报道了通过浸润性图案裁剪Leidenfrost气膜，调节液滴蒸汽动力学，实现Leidenfrost液滴的精确控制。如视频1所示，与高温超疏水基底表面的液滴不停，放置在“Z”字形超亲水图案的基底上的液滴会出现自发旋转行为，转速高达1400转每分钟，而且一个液滴能够稳定旋转一分钟以上。

视频1. 图案化浸润性表面高速旋转的液滴

从底部观察发现，液滴放置在图案化浸润性表面后，超疏水区域逐渐形成了完整的Leidenfrost气膜，而超亲水区域则始终表现为接触沸腾，也就是说，液滴底部的Leidenfrost气膜被超亲水图案切割成了两个不相连的区域，即实现了“分割Leidenfrost效应”。分割后的两部分气膜呈旋转对称，因此产生的两股大小相等但不平衡的气流。这两股气流产生了粘性拖拽力驱动液滴高速旋转（视频2）。

视频2. 液滴底部的“分割Leidenfrost效应”

随后，研究者展示了利用“分割Leidenfrost效应”制造的液滴“蒸汽机”（视频3）。他们将齿轮放置在旋转的液滴上，高速转动的液滴能够带动上方的齿轮快速转动。他们发现，加入一个液滴，该“蒸汽机”就能稳定工作四十多秒。而且，高速旋转的液滴能够稳定地输出转动能量，无需任何支撑装置，液滴就能驱动三叶旋翼快速转动（视频4）。