1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特偶然将一滴水滴在烧红的铁勺上，发现水滴竟然悬浮起来并持续几十秒。进一步研究发现，液滴能够悬浮在热表面主要是由于液滴蒸发形成了一层蒸汽膜阻隔了液滴与热表面的直接接触。这种现象被后人称为莱顿弗罗斯特现象，而出现该现象的温度称为莱顿弗罗斯特温度。调控表面温度处于莱顿弗罗斯特温度附近的液滴运动在高温散热、气膜冷却和生物样本冷冻等领域具有广泛应用前景。由于气膜阻隔，液滴受表面束缚小而表现出强烈的运动随机性。尽管研究者们通过设计精巧结构实现了高温表面液滴的单向输运，然而，如何在不改变结构的前提下实现液滴输运方向及距离的控制仍是一大挑战。
近日，必威刘亚华教授与清华大学吕存景教授团队合作，通过设计表面结构和调控液体沸腾模式，实现了液滴运动方向及输运距离的控制。相关成果发表在《Nature Communications》上。作者设计圆环微沟槽阵列来打破碰撞液滴的形态对称性，通过调节表面温度实现对液滴输运方向的控制。在表面温度略低于莱顿弗罗斯特温度，处于过渡沸腾的碰撞液滴朝向沟槽曲率中心运动；而温度在莱顿弗罗斯特温度以上，处于膜态沸腾的液滴反向运动，作者揭示了不同沸腾模式下液滴输运的机理，建立了不同沸腾模式下结构参数、韦伯数、液滴起始碰撞位置与液滴输运距离的定量关系。同时，由于不同液体所对应的莱顿弗罗斯特温度不同，在同一温度表面的沸腾模式可能不同。基于此，研究团队通过调控温度使液滴处于过渡沸腾模式，水滴连续碰撞在高温圆环微沟槽阵列表面时向表面中心区域汇聚直至完全蒸发，这为液体冷却提供了一种全新思路。另一方面，由于在特定温度下两种处于不同沸腾模式的液滴具有不同的输运方向，这为异种液滴筛分提供了一种全新的技术方法。
这项工作突破了长期以来人们对高温结构表面液滴输运的认知，即特定高温结构表面上液滴只能进行单向输运。研究团队通过协同调控液体的沸腾模式，实现了在同一表面上液滴的双向输运及对输运距离的精确控制。该发现为高温表面液体输运及其新兴应用如“热核”持续冷却和液体筛分等开辟了新途径。
文章第一作者为必威博士生刘聪，通讯作者为学院刘亚华教授和清华大学吕存景教授。其他作者包括学院博士生卢晨光和原子超。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目和国家海外高层次人才引进计划项目等的资助。
