在热锅上洒几滴水，如果锅足够热，水就会发出嘶嘶声，水滴似乎在滚动和漂浮，在表面上盘旋。

　　这种被称为莱顿弗罗斯特效应的现象发生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研究小组发现了一种在更低温度下制造水中悬浮的方法，研究结果发表在《自然物理》杂志上。

　　除了第一作者、博士生黄文革，Cheng的团队还与橡树岭国家实验室和大连理工大学合作进行了部分研究。

　　这一发现在工业机械的冷却和热交换器表面污垢的清洗等传热应用中具有很大的潜力。它还可以帮助防止对核机械的破坏甚至灾难。

　　目前，美国有超过90座获得许可的可运行核反应堆，为数千万家庭供电，巩固了当地社区，实际上占美国清洁能源电力生产的一半。它需要资源来稳定和冷却这些反应堆，而传热对正常运行至关重要。

　　三个世纪以来，莱顿弗罗斯特效应在物理学家中一直是一个众所周知的现象，它确定了水滴在其自身蒸汽床上悬浮的温度。虽然有广泛的文献记载，它的起始温度是230摄氏度，但Cheng和他的团队已经把这个极限推低了很多。

　　这种效应的发生是因为有两种不同状态的水共存。如果我们能看到液滴水平的水，我们就会观察到液滴表面不是全部沸腾，只是一部分沸腾。热量蒸发了底部，但能量并没有通过整个液滴。蒸汽上方的液体部分接收的能量较少，因为大部分能量被用来煮沸底部。液体部分保持完整，这就是我们看到的漂浮在它自己的蒸汽层上的东西。自18世纪发现以来，这种现象就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。

　　这个高温远远高于水的沸点100摄氏度，因为热量必须高到足以立即形成蒸汽层。太低，液滴就不会悬浮。太高，热量会蒸发整个液滴。

　　传统的莱顿弗罗斯特效应测量假设被加热的表面是平坦的，这使得热量均匀地击中水滴。在弗吉尼亚理工大学流体物理实验室工作，Cheng的团队已经找到了一种方法，通过制造覆盖微柱的表面来降低效应的起点。

　　“就像荷叶上的乳头一样，微柱不仅仅是装饰表面，”程教授说。“它们赋予了表面新的属性。”

　　Cheng的团队设计的微柱有0.08毫米高，大致相当于人类头发的宽度。它们以间隔0.12毫米的规则模式排列。一滴水包含了100个或更多的微粒。这些小柱子压入水滴，将热量释放到水滴内部，使其更快地沸腾。

　　传统观点认为莱顿弗罗斯特效应在230摄氏度时才会发生，与之相比，鳍状阵列状的微柱比平面表面向水中注入更多的热量。这使得微液滴在较低温度下在几毫秒内悬浮并跳离表面，因为沸腾的速度可以通过改变柱的高度来控制。

　　当纹理表面被加热时，研究小组发现，达到漂浮效果的温度明显低于平面表面的温度，从130摄氏度开始。

　　这不仅是对理解莱顿弗罗斯特效应的一个新发现，而且是对先前想象的极限的一个突破。埃默里大学2021年的一项研究发现，当受热表面的温度降至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Cheng的团队创造的微柱，即使比这个温度低10度，效果也是可持续的。

　　“我们认为微柱会改变这一众所周知的现象的行为，但我们的结果甚至违背了我们自己的想象，”程说。“观察到的气泡-液滴相互作用是沸腾传热的一个重大发现。”

　　莱顿弗罗斯特效应不仅仅是一个有趣的现象，它也是传热中的一个临界点。当水沸腾时，它最有效地从表面除去热量。在机器冷却等应用中，这意味着将热表面与Cheng团队提出的纹理方法相适应，可以更快地散热，降低机器过热时造成损坏的可能性。

　　黄说:“我们的研究可以防止蒸汽爆炸等灾难，这对工业传热设备构成了重大威胁。”当液体中的蒸气泡由于附近的强热源而迅速膨胀时，就会发生蒸气爆炸。这种风险特别相关的一个例子是核电站，热交换器的表面结构可能影响蒸汽泡的生长，并可能引发这种爆炸。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模式，为控制和减轻蒸汽爆炸的风险提供了有价值的见解。”

　　该团队解决的另一个挑战是在粗糙表面纹理中留下的杂质流体，这对自清洁提出了挑战。在喷雾清洗或冲洗条件下，无论是传统的Leidenfrost还是室温下的冷滴都不能完全消除表面粗糙度中的沉积颗粒。

　　使用Cheng的策略，蒸汽泡的产生能够将这些颗粒从表面粗糙度中移除，并将它们悬浮在液滴中。这意味着沸腾的气泡可以将热量和杂质从表面带走。