Leidenfrost效应是流体研究领域的经典物理现象，即液滴在高温表面会呈现悬浮态。控制Leidenfrost液滴在冷却降温、摩擦减阻、微流控和功能材料图案化等方面都具有重要意义。当前研究主要集中于通过固体表面构筑物理拓扑结构调控液滴，其调控程度有限，实现的液滴动态行为简单。 

　　在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，化学所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组近年来围绕图案化浸润性控制液滴行为方面开展了系统研究，先后实现了液体复杂行为的操纵和精确图案化（Nat. Commun. 2019, 10, 950; Sci. Adv. 2020, 6, eaay5808；Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535-10539；Sci. Adv. 2021, 7, abh1992; Nat. Commun. 2021, 12, 6899; PNAS 2022, 119, e2201665119）。 

　　近日，宋延林研究团队发现，制备图案化的浸润性表面能够实现“切割Leidenfrost效应”，从而精确控制高温液滴的多种复杂行为（图1）。研究表明，改变表面浸润性可以在相同温度的基底上同时实现接触沸腾和Leidenfrost沸腾。合理设计图案，就可以对Leidenfrost气膜进行任意切割，进而有效控制液滴蒸汽动力学，实现高温液滴复杂行为的精确控制。如图2所示，超疏水表面的“Z”形超亲水图案能够将Leidenfrost气膜分割为旋转对称的两部分，从而产生不平衡的蒸汽流动，驱使液滴高速旋转。随后，他们揭示了浸润性图案设计与液滴行为控制之间的基本规律，并展示了其在微机械驱动、液滴定向输运和“液滴蒸汽机”等方面的潜在应用。这一研究首次提出了“切割Leidenfrost效应”的概念，实现了对 Leidenfrost液滴复杂动态行为的精准控制，在液滴控制、多相流和相变传热等领域具有重要的启示意义。相关成果近日发表于Nature Communications期刊（Nat. Commun. 2023, 14, 2646），论文的第一作者是博士后李安和李会增副研究员，通讯作者是宋延林研究员、李会增副研究员和清华大学孙超教授。 

图1 高温图案化浸润性表面的液滴旋转行为

图2 浸润性图案切割Leidenfrost气膜

 

绿色印刷院重点实验室

2023年5月23日