|
“在烧热的空锅中洒几滴水，如果水马上蒸发，就要再加热一会儿，如果水珠开始在锅里滚来滚去，代表锅温已经达到200度……”从炸鸡到做糖葫芦，这个小窍门在菜谱中经常“亮相”。  这是测试锅温最简单的“小窍门”。 但你知道吗？这个普通又日常的现象，就是困扰了科学家们266年的科学难题：莱顿弗罗斯特效应。它的本质是：当液体滴落在温度远超其沸点的固体表面时，液体与超高温表面间会瞬间产生一层绝热的蒸汽层，从而使液体悬浮，传热效果显著降低。 信手拈来的厨房小窍门，成了横亘在液体冷却之路上的“拦路虎”。莱顿弗罗斯特效应的存在，从航空航天到核反应堆这样的超高温物体，大多要采取低效的气体冷却。  1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特在《论普通水的性质》正式提出这一效应。 但现在，难题被彻底突破了。 1月27日，最新一期《自然》杂志发表了题为《抑制莱顿弗罗斯特效应，实现1000°C以上高效热能冷却》的论文，并在《自然》杂志新闻与观点栏目刊登。香港城市大学机械工程系讲座教授、2020年“科学探索奖”先进制造领域获奖人王钻开主导了这项研究。在论文中展示的一款新的结构热装甲，将高效液体冷却的应用温度从300°C提升至1000°C以上，创下了新的“纪录”。 莱顿弗罗斯特效应于1756年被正式提出，在266年的时间里，为何科学家们始终未有解决之道？它的解决，又将为现实世界带来怎样的变化？我们独家访问了王钻开教授。 1 何难之有？ 儿时的王钻开曾与莱顿弗罗斯特效应擦肩而过。“我那时候才八九岁，有人到我老家的村里变魔术，赤脚在烧红的铁锅上走，当时把我吓坏了。现在想，他是在脚上沾了水，因为这个效应，水快速蒸发形成的气膜成了隔热层，只要动作快，就不会烧伤。”  世界上很多国家都有形形色色的“踏火”仪式，同样利用了莱顿弗罗斯特效应。 但他真正对这个古老难题产生科学上的兴趣还是2011年。“那年春天日本大地震引起了福岛核电站的事故，就是因为难以有效降温引起了核芯的熔毁。如果能实现对超高温表面的高效液体冷却，核电站的安全性就能提高一个数量级，但这就必须克服莱顿弗罗斯特效应。” 其实这也是二百多年来一代代科学家的夙愿。但难题之所以难，就因为科学家们面前有三个左右为难的矛盾—— 第一是如何有效热传导。常规的设计思路是选用导热率高的热桥，把高温衬底的热传给液体，但选用高导热率和热同质性的材料，表面温度增高越快，液体容易“跳开”，导致水的潜热不能有效利用而难以降温。 第二是如何处理蒸汽。液体气化相变是有效散热的核心。一方面希冀材料表面有大量的成核点让快速蒸发，但另一方面产生的蒸汽越多，就容易形成连续的绝热蒸汽膜，反而影响液体的下一步蒸发。 第三是如何加工。为了追求散热效率，往往要通过微纳加工形成极其精密的纹理结构，但太过精密，在实际的应用中就越容易遭到破坏，缺乏实用性。不精密不行，太精密也不行。 “说到底，解决这个问题涉及到表界面科学、流体运动学、热能、材料科学、能源和工程学等各个方面的问题，牵一发而动全身，只要跨领域的集成创新，从基本原理、设计和材料上都进行颠覆性创新，才有可能给出史无前例的解决方案。” 最终的解决方案把这些看似难以协调的矛盾冲突完美地解决。结构热装甲和常规材料的散热的演示视频对比极其鲜明：在加热至橙黄色的钢块上滴水，水珠在表面跳跃，钢块全不变色，但如果给钢块贴上结构热装甲，再往上滴水，水珠瞬间散开蒸发，钢块从橙转黑。   在普通钢块上滴水，水珠瞬间跳开，但在结构热装甲“武装”的钢块上，水却能平铺蒸发。 蒸发时间数据也同样证明了结构热装甲的“本领”。在蒸发速度上，因为莱顿弗罗斯特效应，普通液滴蒸发时间需要几十秒，但滴在同样温度的结构热装甲上，在在150-1000°C的整个温度区间，液滴蒸发时间均小于1秒。在降温效果上，同样流速的液滴对普通样品几乎没有降温作用，但对于覆盖了结构热装甲的样品，却能从1000°C降低到100°C。 这到底是怎么实现的呢？ 2 何用之有？ 解决问题的是一套“组合拳”。 结构热装甲由三部分构成，作为导热桥梁的一个个小钢柱像是骨骼，可以快速传热，钢柱间嵌着隔热的多孔薄膜，能够快速吸入液滴，并且让液滴铺展开来，扩大蒸发面积，底层则有U型通道，“负责”及时排出蒸汽，钢柱、薄膜、U型通道“各司其职”，最终带来高效、可控、持续的冷却性能：不同性质、不同流速甚至不同大小的液滴都能够“突破”莱顿弗罗斯特效应的限制，被用于给超高温物体降温。  钢柱、多孔薄膜、U型通道“各司其职”。 这套“组合拳”中的一个核心点是多孔薄膜的设计，“一般总会觉得，用来降温的材料是要导热的，用隔热材料来实现，是反常识的。”但实际上，正是由于绝热薄膜和导热热桥的巧妙组合，产生了局部的温度梯度，让水容易气化并抑制形成完整的蒸汽膜，水的潜热释放之后薄膜温度又不会快速回温，形成至关重要的低温区域。 灵感来自经验。“我的实验室一直围绕拓扑结构控制流体传输和能量转化方面的研究，在这些工作中我们发现，很多时候是'阴阳互补’的，比如做冷凝的时候，传统思路都希望材料是超疏水的，但后来我们发现超疏水和亲水的材料相结合才是最好的，这些经验能够帮助打破常规，形成直觉。你会想，是不是可以把导热和隔热结合起来试试看？” 在王钻开看来，新的结构热装甲为液体冷却带来巨大的想象空间，在金属冶炼、航空航天超高温发动机、下一代核反应堆的有效冷却，乃至消防灭火、国防武器的持续射击及维护诸等多场景中，都有应用前景。 “一方面，我们的结构热装甲采用传统机械加工方式制成，加工简易、结构耐磨，而且它是柔性的，可以紧紧'贴’在多种形状的表面上，赋予包括曲面在内的复杂形状的结构高效液冷的能力，这些都大大增强了它的实用性；另外一方面，我们的设计是普适的，现在说它能起作用的极限高温是1150℃，只是因为多孔薄膜和主体基底结构到了这个温度以上会融化，如果进一步提升材料的耐温极限，更热的超高温物体也能实现液体冷却。” 从厨房到火箭，跨过古老的科学难题，打开新的大门。  图6：高速拍摄体积为17微升的水滴，落在三个温度均为1000℃的样本上。样本A无薄膜，样本B无管道，而样本C为结构热装甲。水滴落在样本C后，全由薄膜吸纳，并于0.33秒内蒸发，相比落在样本A及样本B的蒸发时间大幅减少约50倍。 “科学探索奖”微博开通啦， |
|
|
