"结构热装甲"解决逾260年来液体冷却极端高温失效的世界级难题
钢铁和航天工业以至核电厂设施，都需要有效地冷却高温表面，但在物理学上，高温会衍生莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect），阻碍液体冷却高温表面。香港城市大学（城大）学者领导的研究团队，最新研发出“结构热装甲”，能有效将液体冷却的应用温度提升至摄氏1,000（°C）以上，彻底解决266年以来莱顿弗罗斯特效应带来的难题。这项技术突破可应用于航空及航天引擎等方面，并提高新一代核反应堆的安全及可靠度。
该项目由城大机械工程学系王钻开教授、法国巴黎文理研究大学David Quéré教授，以及吉林大学未来科学国际合作联合实验室主任兼香港城大香港高等研究院资深院士于吉红教授共同领导研发。研究结果已于最新一期国际权威学术期刊《自然》（Nature）上发表，题为〈抑制莱顿弗罗斯特效应，实现1,000°C以上高效热能冷却〉（Inhibiting the Leidenfrost effect above 1,000 °C for sustained thermal cooling），并获《自然》的新闻与观点栏目报道。
城大学者领导的团队研发出“结构热装甲”，解决液体冷却极端高温失效的难题。
绝热蒸汽层阻碍冷却能力 莱顿弗罗斯特效应成世纪难题
莱顿弗罗斯特效应是于1756年被发现的经典物理现象。日常生活常见的例子是，把水滴在滚烫的铁板上，若铁板温度高于水的沸点100°C，水会迅速沸腾，但若铁板温度超高，达到莱顿弗罗斯特点（Leidenfrost point），水珠会在铁板四处滚动，并逐渐蒸发，水珠存活更久。这是因为当液体滴落在温度远超其沸点的固体表面时，在液体与该超高温表面之间会瞬间产生绝热（ thermal insulating ）的蒸汽层，使液体悬浮，并阻断固液接触（liquid-solid contact）而导致传热效能显著降低，甚至会使液体对高温表面的冷却失效。这是科学家一直无法克服的挑战。
多层级复合结构热装甲 实现无阻碍的快速热传导
这个维持了266年的世纪难题，终于由城大领导的团队拆解了。他们建构了一种称为“结构热装甲”（structured thermal armour）的新材料，由多层物料复合而成，而这些物料彼此具有相反的热学特性及不同形貌：结构由贯穿整体、具高导热性的钢柱体支撑，以作快速传热；中层嵌有绝热的多孔薄膜，以快速吸入及蒸发液体；底层的U型通道则用作及时排出蒸气。这项创新的结构巧妙实现了无阻碍的快速热传导，透过蒸发将液体中的热能传走，而且液体在极端高温下亦发生一般不会出现的超浸润现象。研究发现即使在1,150°C极端高温下，结构热装甲仍能完全抑制莱顿弗罗斯特效应，比旧有纪录提升了600°C，并在整个温度区间、即100至1,150°C均具有高效、可控的冷却性能。
团队研发的结构热装甲除了柱体，亦有薄膜和U形管道。而为了进行对照的实验，团队制作出另外两种结构样本：一种有U形管道并无薄膜，另一种只有薄膜并无U形管道。团队然后将染成橙黄色的水滴，滴落上述三种温度均达1,000°C的样本上。
实验结果显示，水滴落在既有薄膜，亦有管道的结构热装甲后，全由薄膜吸纳并于0.33秒内蒸发，相比落在无薄膜或无管道的表面上，结构热装甲上水滴蒸发所需时间大幅减少约50倍，令热能被迅速带走，让表面降温。
结构热装甲可制成柔性器件 盼能应用于核反应堆设施
王教授说：“这项突破性研究成果是表界面科学、流体动力学、热能、材料科学、物理学、能源及工程学等跨领域的集成创新。自1756年以来，科学家一直致力探索能够在高温表面运用液体作高效冷却的新方法。我们打破固有的传热设计思想和结构体系，成功地从基本原理、设计和材料上进行颠覆性创新，抑制了莱顿弗罗斯特效应，将超高温环境下高效液体冷却的不可能转化为可能，这是史无前例的成果。”
王教授指出，由于莱顿弗罗斯特效应的缘故，目前航空及航天引擎、新一代核反应堆及超高温器件等在超高温下进行热能冷却，大多是采用了低效的气体冷却而非高效的液体冷却。团队这次技术上的突破，有望令高效的液体冷却被应用于核反应堆设施，盼避免发生核事故。
王教授补充说：“我们设计的结构热装甲，更加可以制作成柔性器件，并紧固装配在各种形状的表面，于难以直接微加工的表面之上，也具有巨大的实用潜力。”
王教授、Quéré教授及于教授是研究论文的通讯作者，城大机械工程学系蒋孟男博士及王洋博士为第一作者。研究的其他合作者包括城大机械工程学系系主任潘钦教授、助理教授Steven Wang博士、研究助理张欢欢博士、博士生刘法钰和李玉超，以及香港理工大学工业及系统工程学系杜雪教授和博士生杜晗恒。
是次研究获得香港研究资助局、腾讯基金会颁授的“科学探索奖”、香港创新科技署、国家自然科学基金委员会、以及高等学校学科创新引智计划（简称“111计划”）的资助而进行。
DOI number: 10.1038/s41586-021-04307-3
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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