1756年有一位名叫莱顿弗罗斯特的科学家在一把烧的通红的铁勺上滴上一滴水珠，水珠竟然悬浮起来并持续30秒，莱顿弗罗斯特效应水滴能够悬浮起来的原因在于，接触炙热的铁勺后，水滴底部立即形成一层水蒸汽，把水珠与铁勺隔开，就使得水滴悬浮起来，悬浮起来的水滴暂时不能吸收更多的热量，减慢了汽化速度，因此悬浮可以持续30秒，这就是莱顿弗罗斯特效应。

此现象说明当液体遭遇极度炙热时就将化作一层绝缘的气态防护层。当你用湿手指掐灭蜡烛时正是依靠着这层蒸汽层的保护。只要有充分的条件，人人都可做到这点（就如同有了防火墙一般）。把水滴落在滚烫的铁板上，假如铁板的温度仅高于水的沸点（100°C），水会发出嘶嘶声并迅速沸腾。但当铁板到达莱顿弗罗斯特点时，水便会产生莱顿弗罗斯特现象。水珠会在铁板四处滚动，并缓慢地逐渐蒸发，反而令水珠可以存在更久。这个现象在生活中很常见，在实验室经常用热台的同学也能观察到。

从钢铁、航空航天工业到核电站，高效冷却热表面的需求在日常生活和工业环境中是常见的。喷雾或喷射冷却等技术因其简单、散热能力强、耗水量低而被广泛采用。然而，这些技术在非常热的固体上受到众所周知的限制。当温度超过所谓的莱顿弗罗斯特点（LFP）时，固体和液体之间会形成一个连续的蒸汽层，从而产生热阻，并突然降低热传递。热冷却能力可以通过基板上水滴的寿命来表征。在莱顿弗罗斯特状态下，这段时间通常是10到100秒，需要减少到小于1秒(非均相沸腾状态)，以保持有效的传热，而当固体非常热时，这仍是一个挑战。因此，当基质温度介于水的沸点和LFP之间时，通常会观察到感兴趣的区域，这表明向上移动LFP应该是维持传热的首选途径。

增强LFP的传统方法依赖于纹理的使用（例如微柱或多孔结构），这有利于固液接触和高效相变。使用这种策略，LFP可以从其典型值200摄氏度提高至450摄氏度。该结构通常具有导热性，以将热阻降至最低，而LFP的限制来自高温下大量产生的蒸汽，最终屏蔽了底层结构，阻止液体传播并影响热交换。最近，研究表明，设计一种具有高导热系数（约30 W m^-1 K^-1）的刚性膜是可行的）和硅柱阵列上的一维纳米孔将LFP增加到约570 摄氏度。虽然这种设计优雅地将蒸汽排出与固体-液体接触分离，但水滴的蒸发时间通常保持在10秒的范围内 （500°C至570°C之间除外），不允许在宽温度范围内具有高传热性能。

众所周知，莱顿弗罗斯特效应，即水滴在热固体上的悬浮，会恶化高温下的传热。莱顿弗罗斯特点可以通过纹理材料来提高，以利于固液接触，并通过在表面布置通道来将润湿现象与蒸汽动力学分离。然而，在广泛的温度范围内最大化莱顿弗罗斯特点和热冷却可能是相互排斥的。

近日，吉林大学于吉红教授、法国巴黎文理研究大学David Quéré和香港城市大学王钻开教授等研究人员报道了一种合理设计的结构化防热装甲（STA），可抑制高达1150摄氏度的莱顿弗罗斯特效应 ，比已有的替代策略高出600 ℃，但仍保持热传递。这项设计包括用作热桥的钢柱、一个嵌入的绝缘膜，用于吸走和扩散液体，以及用于蒸汽排空的U形通道。热性能和几何性能截然不同的材料共存，共同将通常均匀的温度转变为不均匀的温度，在所有温度下产生横向芯吸，并增强热冷却。结构化防热装甲只受熔点的限制，而不受设计上的失误限制。这种材料可以是柔性的，从而可以附着在结构上有挑战的基板上。这种战略具有在超高固体温度下实现高效水冷却的潜力，这是迄今为止尚未发现的特性。相关研究工作以“Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

于吉红，无机化学领域专家，长期从事无机多孔功能材料的合成与制备化学研究。1967年1月生于辽宁省鞍山市。1989年毕业于吉林大学化学系，1992年和1995年在吉林大学分别获硕士学位和博士学位。2015年当选为中国科学院院士。

王钻开，香港城市大学机械工程系教授，工学院副院长，教育部“长江学者”讲座教授，香港青年科学院创始成员。2000年毕业于吉林大学，获机械工程学士学位，2003年毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年在伦斯勒理工大学获得机械工程博士学位，2008-2009年在美国哥伦比亚大学生物医学工程系进行博士后研究，2018年入选香港青年科学院院士，2019年入选国际仿生学会Fellow。主要研究方向为仿生机械系统和微观传递现象等。在Nature、Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications、Science、Science Advances等学术刊物上发表SCI论文130余篇。曾获2020科学探索奖,第35届世界文化理事会特别青年嘉奖，香港城市大学杰出研究奖以及国际仿生学会杰出青年奖。培养的博士生荣获美国材料学会杰出研究生金奖和银奖、香港青年科学家奖，上银优秀博士论文银奖等。

图1. STA设计

图2. STA材料的性能

在这里，作者提出构建一种多纹理材料，其关键元素具有对比的热特性和几何特性（图1a）。这种热装甲(STA)由坚固、导电、突出的支柱组成，用作热桥，以促进传热，嵌入隔热膜设计用于吸入和蒸发液体，以及地下U形通道以排出蒸汽。这些异构元素的无缝集成大大提高了LFP值，使其高于1150 °C（超过此温度，材料开始融化），但不牺牲高传热能力。

STA的制作首先是雕刻一组方形的厚柱（宽度a、高度h和间距b），所有这些柱的值都在300-400 µm之间）在具有高导热性的钢块中≈ 25W m^-1 K^–1）。然后将柔性多孔SiO₂膜插入柱中（图1b）。它由静电纺丝获得的纳米纤维制成，具有低导热系数≈ 0.02 W m^-1 K^–1）和高熔点（约1200 °C）。其厚度δ约为100 µm，孔的直径d约为3 µm。最后，立柱和底座之间的空间设计为U形。该剖面挤压膜，并通过高温处理进一步巩固与柱体的结合。作者还建立了两个对照样品，一个只有柱（A），另一个有膜但没有通道（B）。

图3测试STA的极限

图4弯曲灵活的STA

最后，作者讨论了如何推广STA设计。作者使用线放电加工技术在弯曲和大型表面上制造STA结构。图4a显示了在钢球体上制造的STA，其显示了与扁平对应物相当的冷却性能。还可以在0.5 mm厚的钢膜上设计柔性STA，该钢膜可以钎焊在各种基板上，无论是平面基板还是圆柱形基板（图4b）。如图4c所示，水射流（20 毫升 min^–1）导致表面温度快速下降约900℃，与基板几何形状无关。表面颜色的变化（图4c中的插图）证明了这种强烈的冷却，而没有柔性装甲，则观察不到明显的效果。因此，该策略是通用的：使装甲具有灵活性，将STA的应用范围扩展到其他难以通过标准处理进行纹理处理的表面，例如管道内部，这可能为热管理提供新的解决方案。

厨师在预热锅子时，只要落下几滴水看会否形成水珠，便可得知锅子是否够热。在传统的过火仪式，参加者会先沾湿双脚，由于莱顿弗罗斯特现象令水不会快速升温，使得热不容易传到人们的脚，即使人们走在火堆之上，只要不长时间接触炭火，也不易被烧得火红的炭火烫伤。另外，依照莱顿弗罗斯特现象的原理，液氮会在手上迅速沸腾并形成隔热层，防止手冻伤，因此便可徒手触摸液态氮。《流言终结者》（MythBusters）亦曾在节目中利用莱顿弗罗斯特现象，尝试把手沾湿后放进烧熔的铅里。

这篇Nature论文报道的现象在生活中极其常见，莱顿弗罗斯特效应，水滴在热固体上的悬浮，会恶化高温下的传热，这困扰了人们几百年，正是科学家们细致的观察和深入的探索，才解决了这个世界难题，点赞！

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04307-3

文献原文：

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