圖案化浸潤性表面實現(xiàn)對Leidenfrost液滴復(fù)雜行為的精確控制

Leidenfrost效應(yīng)是流體研究領(lǐng)域的經(jīng)典物理現(xiàn)象，即液滴在高溫表面會呈現(xiàn)懸浮態(tài)。控制Leidenfrost液滴在冷卻降溫、摩擦減阻、微流控和功能材料圖案化等方面具有重要意義。當(dāng)前研究集中于通過固體表面構(gòu)筑物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控液滴，其調(diào)控程度有限，實現(xiàn)的液滴動態(tài)行為簡單。

中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組近年來圍繞圖案化浸潤性控制液滴行為方面開展了系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了液體復(fù)雜行為的操縱和精確圖案化。

近日，宋延林團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，制備圖案化的浸潤性表面能夠?qū)崿F(xiàn)“切割Leidenfrost效應(yīng)”，從而精確控制高溫液滴的多種復(fù)雜行為（圖1）。研究表明，改變表面浸潤性可以在相同溫度的基底上同時實現(xiàn)接觸沸騰和Leidenfrost沸騰。合理設(shè)計圖案，便可對Leidenfrost氣膜進(jìn)行任意切割，進(jìn)而有效控制液滴蒸汽動力學(xué)，實現(xiàn)高溫液滴復(fù)雜行為的精確控制。

圖1 高溫圖案化浸潤性表面的液滴旋轉(zhuǎn)行為

如圖2所示，超疏水表面的“Z”形超親水圖案能夠?qū)eidenfrost氣膜分割為旋轉(zhuǎn)對稱的兩部分，從而產(chǎn)生不平衡的蒸汽流動，驅(qū)使液滴高速旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步，該研究揭示了浸潤性圖案設(shè)計與液滴行為控制之間的基本規(guī)律，并展示了其在微機(jī)械驅(qū)動、液滴定向輸運和“液滴蒸汽機(jī)”等方面的潛在應(yīng)用。

圖2 浸潤性圖案切割Leidenfrost氣膜

綜上所述，該工作首次提出了“切割Leidenfrost效應(yīng)”的概念，實現(xiàn)了對Leidenfrost液滴復(fù)雜動態(tài)行為的精準(zhǔn)控制，在液滴控制、多相流和相變傳熱等領(lǐng)域具有啟示意義。

審核編輯：劉清