新方法可以在更低的温度下实现水悬浮对冷却核反应堆具有重要意义

在热锅上滴几滴水，如果锅足够热，水会发出咝咝声，水滴似乎在滚动漂浮，悬停在水面上方。

这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应，发生时的温度是可以预测的，通常发生在 230 摄氏度以上。弗吉尼亚理工大学机械工程系副教授程江涛的团队发现了一种在低得多的温度下实现水悬浮的方法，研究结果已发表在《自然物理学》上。

与第一作者兼博士生黄文革一起，程教授的团队与橡树岭国家实验室和大连理工大学合作完成了部分研究。

这一发现在工业机器的冷却、热交换器表面污垢的清洗等传热应用方面具有巨大潜力，还有助于防止核机械受损甚至灾难。

目前，美国有 90 多座获得许可的可运行核反应堆，为数千万户家庭供电，为当地社区提供电力，实际上占该国清洁能源电力产量的一半。稳定和冷却这些反应堆需要资源，而传热对于正常运行至关重要。

悬浮水的物理学

三个世纪以来，莱顿弗罗斯特效应一直是物理学家们熟知的一个现象，它决定了水滴悬浮在自身蒸汽床上的温度。尽管据广泛记载，莱顿弗罗斯特效应的起始温度为 230 摄氏度，但程和他的团队已将这一极限推得更低。

这种现象的产生是因为两种不同状态的水共存。如果我们能看到水滴层面的水，我们会发现并不是所有的水滴都在表面沸腾，只有一部分水滴沸腾。热量使底部蒸发，但能量不会穿过整个水滴。蒸汽上方的液体部分接收的能量较少，因为大部分能量都用于沸腾底部。液体部分保持完整，这就是我们看到的漂浮在自己的蒸汽层上的东西。自 18 世纪发现以来，这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应，以德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特的名字命名。

这种高温远高于水的 100 摄氏度沸点，因为热量必须足够高才能立即形成蒸汽层。温度太低，液滴就不会悬浮。温度太高，热量会蒸发整个液滴。

表面的新工作

莱顿弗罗斯特效应的传统测量假设加热表面是平坦的，这会导致热量均匀地撞击水滴。在弗吉尼亚理工大学流体物理实验室工作时，程的团队找到了一种降低莱顿弗罗斯特效应起点的方法，即通过制造一个覆盖有微柱的表面。

“就像荷叶上的乳头一样，微柱的作用不仅仅是装饰表面，”程说。“它们赋予表面新的特性。”

程氏团队设计的微柱高 0.08 毫米，与人类头发的宽度大致相同。它们以 0.12 毫米的间距规则排列。一滴水包含 100 多个微柱。这些微小的柱子压入水滴，将热量释放到水滴内部，使其更快沸腾。

与传统观点认为莱顿弗罗斯特效应在 230 摄氏度时触发的观点不同，鳍阵列状微柱向水中注入的热量比平坦表面更多。这导致微滴在较低温度下在几毫秒内悬浮并从表面跳起，因为沸腾速度可以通过改变柱子的高度来控制。

降低莱顿弗罗斯特的极限

当纹理表面被加热时，研究小组发现实现漂浮效果的温度明显低于平面，最低为 130 摄氏度。

这不仅是对理解莱顿弗罗斯特效应的一个新发现，也是对以前想象的极限的扭曲。埃默里大学2021 年的一项研究发现，当加热表面的温度降低到 140 度时，水的性质实际上会导致莱顿弗罗斯特效应失效。使用程团队创建的微柱，即使在低于 10 度的情况下，这种效应也能持续。

“我们原以为微柱会改变这种众所周知的现象，但我们的结果甚至超出了我们的想象，”程说。“观察到的气泡-液滴相互作用是沸腾传热的重大发现。”

莱顿弗罗斯特效应不仅是一种有趣的现象，也是传热的关键点。水沸腾时，能最有效地从表面散热。在机器冷却等应用中，这意味着将热表面调整为程氏团队提出的纹理方法可以更快地散热，从而降低机器过热造成损坏的可能性。

“我们的研究可以防止蒸汽爆炸等灾难，这些灾难对工业传热设备构成重大威胁，”黄说。“当液体中的蒸汽气泡由于附近存在强热源而迅速膨胀时，就会发生蒸汽爆炸。这种风险特别严重的一个例子是核电站，热交换器的表面结构会影响蒸汽气泡的生长，并可能引发此类爆炸。通过我们在论文中的理论探索，我们研究了表面结构如何影响蒸汽气泡的生长方式，为控制和减轻蒸汽爆炸的风险提供了宝贵的见解。”

该团队面临的另一个挑战是流体中的杂质会留在粗糙表面的纹理中，这对自清洁提出了挑战。在喷淋清洁或冲洗条件下，无论是传统的莱顿弗罗斯特还是室温下的冷液滴都无法完全消除表面粗糙度上的沉积颗粒。

利用程氏的策略，蒸汽气泡的产生能够将这些颗粒从表面粗糙度中移出并悬浮在液滴中。这意味着沸腾的气泡可以将热量和杂质从表面带走。