标题仅三词！港城大报导“毛细莱顿弗罗斯特的效应”，登Nature子刊

高功率密度设备的热管理是化学工程与能源领域面临的关键挑战之一。当热表面温度超过莱顿弗罗斯特点时，液体会形成连续蒸汽膜，阻隔进一步蒸发，导致传热效率急剧下降。莱顿弗罗斯特现象极不稳定，尤其在大尺寸条件下常伴有剧烈振荡，难以实现有效调控。以往的研究大多依赖对加热表面进行微纳结构设计、润湿性修饰或构造温度梯度，以被动引导液滴运动和相变行为。然而，这些表面工程方法通常存在制造工艺复杂、成本高、耐久性不足等问题，且难以在具有复杂几何形状或大尺度的表面长期稳定运行。因此，如何在不依赖表面处理的前提下，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，成为热管理领域的重要科学问题。

近期，香港城市大学Steven Wang教授、 加州大学伯克利分校的Thomas Schutzius教授与墨尔本大学Gang Kevin Li教授合作在《Nature Physics》上在线发表了题为：“Capillary Leidenfrost effect"的原创研究论文。

该研究报导了一种全新的“毛细莱顿弗罗斯特的效应"（图1）。与传统液滴莱顿弗罗斯特的效应不同，该研究通过引入毛细结构，将液体限域在毛细结构中蒸发，可在显著低于经典莱顿弗罗斯特点的温度下，实现固体结构的稳定、持久悬浮，且无需对毛细结构表面、基底表面做任何预处理或微纳加工。这是将传统的液体莱顿弗罗斯特的效应应用到固体结构上。同时，通过调节毛细结构的孔径、孔隙率等参数，还能主动调控相变模式，定制莱顿弗罗斯特温度点。这一效应还可推广到廉价易得的天然多孔材料，为大尺寸、长距离的无接触输运提供了全新思路。

作者通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm）制作了毛细通道阵列结构，打印材料选用了摩方精密开发的耐高温树脂（HT200）。从打印结构的上表面注入液体，利用毛细作用将液体泵入毛细通道内蒸发，排出的水蒸气形成气膜，实现与传统莱顿弗罗斯特液滴类似的悬浮状态。与经典液滴的剧烈振动、跳跃等动态行为不同，固体毛细结构表现出优异的稳定性和可持续性。通过间歇补水，毛细结构可以实现长达10分钟的稳定悬浮，且气膜厚度稳定。毛细结构显著提高了液体蒸发速率，使得莱顿弗罗斯特点大幅降低。与前人文献对比发现，本结构实现了很低的莱顿弗罗斯特温度点，且无需任何表面处理。

在同一热板温度下，对比实验显示：普通液滴迅速沸腾，数秒内蒸发；而毛细结构则快速进入悬浮状态，持续时间长达两分钟。这直接证明，毛细结构的莱顿弗罗斯特临界温度显著低于传统液滴。进一步改变毛细结构的孔径与孔隙率发现，莱顿弗罗斯特点具有可调性。在不同温度下，通过调整结构参数，毛细结构可呈现接触、混合和悬浮三种相变状态，说明无需表面处理即可直接调控临界温度。当基底温度固定时，我们测得了不同孔径下实现悬浮所需的最小孔隙率：孔隙率越大，液体储存能力越强；孔径越小，液体蒸发越快。二者协同作用，促进了稳定莱顿弗罗斯特悬浮状态的出现。这一规律为未来毛细结构的设计提供了明确指导（图2）。

莱顿弗罗斯特液滴由于其蒸汽膜存在，具有无摩擦的特性。然而，传统的莱顿弗罗斯特液滴操纵依赖基底的表面的加工处理实现不同的梯度特性（如粗糙度、润湿性、温度梯度等），通常制造成本高，且耐久性差。研究发现，通过调整毛细通道的倾斜角度来改变蒸汽的排放方向，可在结构下方形成一层略微倾斜的蒸汽膜，从而产生水平方向的驱动力。这一机制使毛细结构无需任何表面修饰即可实现定向运动（图3）。实验表明，当通道倾角为15°至20°时，运动效果优异；倾角过小时驱动力不足，倾角过大则会导致结构前端因蒸汽流量不足而质量偏重，难以维持悬浮。作者将倾斜蒸汽膜上的运动等效为物体沿斜面滑行，据此建立的加速度模型与实验结果吻合良好。

3D打印毛细结构存在成本高、制备周期长、难以规模化等局限。为此，作者探索了多种天然多孔材料，发现墨鱼骨和巴沙木因其多孔、低密度的特性，具有应用潜力（图4）。将二者浸入液氮后，在室温条件下均可轻松实现超过1米的无摩擦输运；单块巴沙木甚至可额外托举7块相同材料，完成0.5米以上的无摩擦运输。针对液氮蒸发快、悬浮状态难以持久的问题，作者设计了环形轨道并在途中持续补充液氮。结果显示，墨鱼骨可在轨道上持续无摩擦运动，运行8米后速度未见衰减。尽管天然材料无法像3D打印结构那样精确控制结构参数，但其成本极低、来源广泛，在大尺寸、长距离无摩擦输运领域具有重要应用前景。

总结：本研究通过将液体限域在毛细通道内，成功实现了毛细结构的稳定悬浮。并将莱顿弗罗斯特临界温度从传统上远高于沸点，大幅压低到仅略高于沸点（例如110°C），且整个过程无需对基底表面进行任何处理。通过改变毛细结构的孔隙率与孔径，可以进一步调控毛细结构的相变模式，从接触沸腾，到混合态再到悬浮态。并且，仅仅改变毛细通道的倾斜方向，就能让毛细结构实现定向无摩擦运动。这一毛细莱顿弗罗斯特的效应还可以移植到天然多孔材料上，从而为大尺寸、可持续的长距离无接触输运打开了现实通道。