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邓旭教授团队在《美国科学院院报》发表研究论文
文:基础与前沿研究院 图:基础与前沿研究院 来源:基础与前沿研究院 时间:2023-09-03 9192

近日,基础与前沿研究院/电子科大(深圳)高等研究院邓旭教授团队在国际著名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》(《美国科学院院报》)上发表了题为“A standing Leidenfrost drop with Sufi whirling ”的研究论文。这项研究将在热传导、表面润湿性等领域相关技术和应用的发展开辟了新的可能性。基础院杨金龙特聘副研究员、王德辉教授和四川音乐学院李勇博士为本文共同第一作者,邓旭教授为通讯作者。电子科技大学陈龙泉教授和香港理工大学王钻开教授团队参与本项目联合研究。电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一作者单位。

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在众多领域中,对高温表面液滴沸腾状态的精准控制具有关键性作用,尤其在传热传质和液滴操控等领域。通过实现对液滴在高温表面沸腾行为的精确操控,能够深入探索热能传递的机制,优化能源系统的效率,并在热管理、冷却技术、微型流体学、液滴传输和化工等领域开创全新的控制方案。在高温固体表面上,水滴的行为通常呈现两种不同情况:一种是水滴瞬间接触到热表面后迅速发生爆炸性蒸发;另一种是水滴保持悬浮稳定状态。在后一种情况中,水滴会悬浮在由表面与水滴界面快速汽化产生的蒸汽绝缘层上,这种现象被称为莱顿弗罗斯特状态。

邓旭教授领导的研究团队利用基底材料设计、界面调控等手段,揭示了一种新的莱顿弗罗斯特状态(如图1所示)。在这种状态下,水滴能够稳定地“站立”在热且光滑的疏水表面上,呈现出与众不同的特性。水滴部分附着在热表面上,通过这种部分附着实现了自身的平衡。这一现象同时引发了水滴独特的变形和旋转行为,让人联想到优美的苏菲旋转舞蹈。这一发现不仅为我们对于液滴行为在极端条件下的理解提供了新的视角,也可能在热管理等领域引发重要的应用探索。

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图1 “站立”莱顿弗罗斯特状态及苏菲旋转

邓旭团队通过理论分析和实验测定,深入研究了“站立”莱顿弗罗斯特状态下水滴的行为机制,揭示了其稳定、变形和旋转的基本原理(图2)。团队研究人员运用粒子图像测速仪(PIV)探究了水滴内部流动状态,发现外部形变和旋转并非外力驱动,而是内部循环引发的结果(图2a-b)。利用韦伯数(We),团队定量分析了离心力和表面张力对“站立”莱顿弗罗斯特状态水滴的影响。在形变发生前,动量和表面张力对稳定起到关键作用(We~1)。而随着We值增加,离心力超越内聚力,在微小振动的影响下,液滴在达到临界We值(We*)时其对称性受到破坏。这种与液滴内部循环密切相关的自旋状态为研究原子核裂变到行星自转等多个领域都有重要意义。

同时,团队还深入探究了“站立”莱顿弗罗斯特状态的形成机制。通过高速成像,监测了水滴与基板接触时界面的变化,揭示了液滴稳定的五个阶段(图2c)。这一过程受到内部循环、核沸腾和气泡合并等多种因素的共同影响,呈现出复杂的特性。研究还进一步探究了表面疏水性和材料热物性对水滴“站立”能力的影响。最终,团队利用表面设计,实现了对“站立”莱顿弗罗斯特状态下水滴运动和热传导的精准控制。与传统浮动状态相比,这种站立状态的热传递效率高出多达390%,为高温下基于液滴的热传递、混合和化学合成等领域提供了潜在应用前景。

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图2 “站立”莱顿弗罗斯特状态液滴稳定、变形和旋转的基本机制。

该项工作得到了国家自然科学基金委、四川省杰出青年基金、四川省科技计划等多项基金资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1073/pnas.2305567120

 作者简介:

邓旭,教授/博导,国家杰出青年基金获得者。主要从事材料表面科学、表面物理化学等相关研究。担任德国马普学会国际伙伴小组组长,中国化学会仿生材料化学委员会委员,英国皇家化学会会士(FRSC)。研究成果以第一作者或通讯作者在Nature, Science, Nature Materials, National Science Review, Physical Review Letter,Advanced Material, Angewandte Chemie等杂志发表文章100余篇。研究工作被引用8800余次。获得中国、欧洲和美国授权发明专利31项。获得中国十大科技新锐人物,中国化学会菁青化学新锐奖,四川省青年科技奖,化学化工与材料京博优秀博士论文银奖(博士生导师),中国胶体与界面化学优秀青年学者奖,德国洪堡基金会贝塞尔研究奖。担任National Science Review编委。

杨金龙,基础与前沿研究院特聘副研究员。主要从事材料表面工程及界面自主装,包括高性能表界面涂层设计,液固交互中的传热传质及流体动力学,胶体自组装等。目前已在PNAS, Adv. Mater., Natl. Sci. Rev., Lab on a Chip等期刊共发表学术论文20余篇,主持国家自然基金青年项目,四川省科技厅项目等。

王德辉,教授/博导,国家青年人才。担任中国航空学会结冰与防除冰分会青年委员;Chinese Chemical Letters青年编委;Advances in Aerodynamics、空气动力学学报、实验流体力学三刊青年编委。主要从事材料表面物理化学研究,解决传热传质、结冰与防除冰以及生物医学领域存在的表界面问题,已在Nature, Nature Materials, National Science Review, PNAS, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等杂志发表研究论文三十余篇;获中国、美国授权发明专利20余件;获中国化学会京博优秀博士论文奖银奖,川渝科技学术大会优秀论文一等奖。

李勇,电子科技大学出站博士后,四川音乐学院讲师,人工智能音乐方向硕导,主要从事人工智能音乐、艺用材料研发、乐器优化设计等艺术与科技融合发展研究。

材料表面科学中心主页:https://www.x-mol.com/groups/dengxu

 


编辑:李文云  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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