香港城市大学Steven Wang团队Nature Physics: 毛细莱顿弗罗斯特效应

纳米人

2026-04-17

第一作者：张智，张振文，冀炳强，原永玖         

通讯作者：Gang Kevin Li, Thomas Schutzius, Steven Wang           

通讯单位：墨尔本大学，加利福尼亚大学伯克利分校，香港城市大学                

论文DOI：10.1038/s41567-026-03255-x

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经典莱顿弗罗斯特效应通常发生于远高于液体沸点的温度条件下，且其动态行为复杂，难以实现有效调控。本研究报道了一种全新的毛细莱顿弗罗斯特效应，通过将液体限域于毛细结构内蒸发，可在显著低于传统液滴莱顿弗罗斯特临界温度的条件下，实现固体结构的稳定、可持续悬浮，且无需对固体表面进行任何预处理或结构修饰。通过改变毛细结构参数（如孔径、孔隙率），可进一步实现对相变状态的可控调节。该效应可扩展至廉价易得的天然多孔材料，为实现大尺寸、长距离的无接触输运提供了新途径。

背景介绍

在化学工程与热管理领域，高功率密度设备的高效热移除始终是制约技术发展的核心瓶颈。尽管池沸腾、热管、喷雾冷却等两相传热技术充分利用了液体汽化的高潜热，但普遍面临一个根本性矛盾：当热表面温度超过某一临界值（即莱顿弗罗斯特点）时，液体与固体之间会形成连续蒸汽膜，导致传热效率急剧下降。传统莱顿弗罗斯特效应极不稳定，尤其在大尺寸条件下常伴随剧烈振荡，使其有效调控面临巨大挑战。

现有研究多依赖对热表面进行微纳结构设计、润湿性调控或温度梯度构造，以实现对液滴运动与相变行为的被动引导。然而，这类表面工程手段往往存在制造工艺复杂、成本高昂、耐久性不足等问题，且难以在复杂几何表面或大尺度条件下保持长期稳定运行。因此，如何在无需表面处理的条件下主动调控莱顿弗罗斯特相变行为，实现稳定、可控的两相传热，已成为当前热管理领域的重要科学问题与工程难点。

研究出发点

传统莱顿弗罗斯特液滴行为极不稳定，根源在于其气液蒸发界面无法被有效固定。为此，本研究提出通过毛细结构将液体限域于通道内，用稳定的弯月面替代传统变形的气液界面，并借助定向排放蒸汽形成稳定蒸汽层，从而实现固体结构的稳定悬浮。该思路不仅为解决界面不稳定问题提供了新方案，也为将莱顿弗罗斯特效应所赋予的无摩擦悬浮特性拓展至固体结构奠定了可行路径。

图文解析

要点：本研究采用3D打印技术制造毛细通道阵列的固体结构，将液体从上表面输入，通过毛细效应限域于毛细通道内蒸发，成功实现了与传统莱顿弗罗斯特液滴相似的悬浮状态，命名为毛细莱顿弗罗斯特效应。与传统莱顿弗罗斯特状态下液滴的剧烈震动，跳跃等动态行为不同，固体结构的莱顿弗罗斯特状态下表现出优异的稳定性与可持续性。由于毛细结构显著提升了液体蒸发速率，使莱顿弗罗斯特临界温度点大幅降低。相比传统研究中远高于沸点的温度条件（通常>200℃），该结构在110℃（略高于沸点）即可实现稳定悬浮，且无需任何复杂的表面结构处理。

图2：毛细莱顿弗罗斯特效应的特征与机制。 a， 液滴与毛细结构放置在同样温度的基底上的行为对比。b，不同基底温度下液滴寿命与毛细结构悬浮时长的对比。 c,  不同基底温度下毛细结构的孔径与孔隙率对毛细结构相变状态的影响；d,准稳态下毛细结构悬浮在其蒸汽膜上的分析示意图。e, 固定基底温度下毛细莱顿弗罗斯特效应相图。f, 归一化蒸汽膜厚度的实验测量值与理论预测值的比较

要点：

1.将液滴与毛细结构置于同一热板（130℃）对比发现，液滴剧烈沸腾，数秒内即蒸发殆尽；而毛细结构可迅速进入悬浮状态并维持约两分钟，证实了毛细莱顿弗罗斯特效应相对较低的启动温度。进一步在不同温度下对比液滴寿命与毛细结构悬浮时间发现，液滴需在约200℃才进入莱顿弗罗斯特悬浮状态，而毛细结构在温度略高于液体沸点时即可实现稳定的莱顿弗罗斯特悬浮状态。

2.改变毛细结构的孔径与孔隙率，我们发现毛细结构的莱顿弗罗斯特点是可以调控的。我们在不同温度下观察到不同的结构参数配置下，毛细结构存在接触、混合与悬浮三种状态，表明莱顿弗罗斯特临界温度可通过结构参数直接调控，无需依赖表面处理。在固定基底温度条件下，我们实验确定了不同孔径下实现悬浮所需的最小孔隙率。孔隙率越大，储液能力越强；孔径越小，蒸发速率越快，两者共同促进毛细结构实现稳定的悬浮状态。该规律为后续毛细结构设计提供了明确方向。结合理论分析，我们进一步建立了毛细莱顿弗罗斯特效应的物理模型，得到了归一化的蒸汽膜厚度预测结构，并与实验结构吻合较好。

图3：毛细结构的定向运动。a, 倾斜毛细结构悬浮在加热表面的受力分析。b, 不同倾角的毛细结构在给定时间内的运动距离对比。c, 不同倾角的毛细结构的平均运动速度。d, 毛细结构加速度的理论预测值与实验测量值对比。

要点：传统莱顿弗罗斯特液滴的定向运动通常依赖于基底表面的梯度特性，如粗糙度，润湿性，温度梯度等。本研究发现，通过改变毛细孔道的倾斜方向以控制蒸汽排放角度，可形成略微倾斜蒸汽膜，产生一个水平驱动力，使毛细结构在不依赖任何基底改性的条件下实现定向运动。在不同毛细孔道倾角下，结构在固定时间内实现了不同的运动距离，最佳倾角范围为15–20°。倾角太小时，驱动力微弱；而倾角过大会导致质量分布不均，前端由于蒸汽流量小而重量较大，造成局部难以悬浮，从而阻碍无摩擦运动。我们将倾斜蒸汽膜上的运动等效为物体在斜面上的滑行，斜面倾角即为蒸汽膜倾角，由此推导出预测毛细结构运动加速度的模型，与实验结果吻合良好。

由于3D打印材料在高温下会出现热变形，尤其是倾斜的毛细结构。因此该实验温度仅为150℃，推动力较小。为了能实现高温条件下的毛细莱顿弗罗斯特效应，我们进一步利用飞秒激光在金属长方体上钻孔制备金属毛细结构。该金属毛细结构可以承受更高温度，可以在极低的孔隙率（φ=0.028）实现莱顿弗罗斯特悬浮状态与无摩擦运动。

图4：自然材料的可持续长距离自驱动运输。a-b, 巴沙木的外观与三维CT扫描结构。c, 巴沙木无摩擦运动的高速相机时序图。d-e, 不同视角下的墨鱼骨与三维CT扫描结构。f, 墨鱼骨无摩擦运动的高速相机时序图。g, 巴沙木的运载能力展示。h,  墨鱼骨通过毛细效应自动汲取轨道上的液氮示意图。i,墨鱼骨在环形轨道上可持续无摩擦运动的时序图。 j, 墨鱼骨随时间运动的距离与速度图。

要点：3D打印技术制备毛细结构成本高、周期长且难以扩大尺寸规模。为此，本研究探索了多种自然多孔材料，发现墨鱼骨与巴沙木因其多孔、低密度的结构特性，是最具潜力的替代材料。在浸入液氮后，两者均可在室温下轻松实现超过1米的无摩擦输运，单块巴沙木甚至可托举额外7块巴沙木完成超过0.5米的无摩擦运输。鉴于液氮蒸发速率快、悬浮状态难以维持，本研究设计了环形轨道并在中途持续补充液氮，发现墨鱼骨可在轨道上实现持续的无摩擦运动，运行8米后速度未见任何衰减。

尽管自然材料的结构无法像3D打印结构一样可以实现结构参数的精细控制，但其成本低廉、易于获取，有望在未来大尺寸、长距离无摩擦输运中发挥重要作用。

总结与展望

本文提出并系统研究了一种基于毛细结构的新型莱顿弗罗斯特效应，突破了传统相变传热中“温度被动控制”的局限，实现了对液体相变模式与界面稳定性的主动调控。将莱顿弗罗斯特临界温度由传统条件下远高于沸点的状态降低至略高于沸点（如110°C），且无需依赖任何表面结构处理。同时通过调整毛细通道方向，可以实现毛细结构的定向运动。该毛细莱顿弗罗斯特效应可进一步扩展至自然材料， 有望实现大尺寸，可持续的长距离无摩擦输运。

在化学工程热传递过程中，莱顿弗罗斯特效应长期被视为传热“禁区”，其行为被动受温度控制。本研究提出的毛细结构策略，实现了液体相变模式的主动调控，为莱顿弗罗斯特效应的可控利用开辟了新方向。有望在高通量热管理、智能热控系统、无接触运输等领域发挥重要作用，推动两相传热技术从“被动承受”走向“主动设计”的新阶段.

作者介绍：

Steven Wang教授:香港城市大学协理副校长（资源规划）,围绕化工多相流中的传递模型及其界面调控机制，以通讯作者在 Nature Physics、Nature Sustainability、Engineering、 Nature Communications、Science Advances、AIChE等国际高水平期刊发表论文 46 篇；授权美国发明专利13件；主持香港科研项目共12项；荣获泰晤士高等教育亚洲大奖年度研究项目奖等荣誉。并获邀担任 Advanced Energy Materials 期刊客座主编;中国工程院院刊《Engineering》期刊青年编委，以及《Green Carbon》编委。本文的共同第一作者冀炳强和原永玖两位青年学者均已获批国家级青年人才计划。他们在多相流界面科学与先进功能材料制造领域具备深厚的研究功底与创新潜力，是团队青年人才梯队建设的核心力量。