郑泉水院士实现100概率液滴弹跳，可用于芯片高效散热和防霜防冰

　　近日，中科院院士、清华大学航天航空学院工程力学系教授郑泉水和团队，提出了＂冷凝液滴筛＂的概念，为冷凝液滴微小尺度下的均匀脱离，提供了一种设计范式。 或在芯片高效散热、防霜防冰等技术领域产生重大影响，并有望催生潜在的技术变革。
　　图 | 郑泉水院士（来源：郑泉水）
　　总体而言，该研究主要价值在于，针对冷凝液滴顽固附着残留在固体表面、以及发生不可控生长的问题，提供了一个全新的解决思路。
　　（来源：Nature Communications）
　　面对高涨的芯片散热需求，亟需提高冷凝液滴的脱离能力
　　以手机芯片的散热问题为例。虽然我们的手机有巴掌大小，但是热量的主要来源是其中 1cm 见方的小芯片，即所谓的＂热点＂。
　　如何在手机这样狭窄空间内，把＂热点＂处的热量迅速、尽可能均匀地传递到手机外壳，不让芯片烧坏是一个重要的问题。
　　基于相变原理的高效散热器件，均热板（Vapor Chamber，VC）为该问题提供了解决方案，并在各个品牌的手机中得到越来越广的应用。
　　＂冷凝端＂是均热板等散热器件的核心部分，由于冷凝液的导热性欠佳，如果冷凝液滴不能快速脱离冷凝面，一旦发生残留与累积，就会使得冷凝端换热性能显著恶化，继而影响整个系统的换热能力，导致芯片性能下降、甚至芯片损坏。
　　除了手机里的芯片，随着加工精度的提升和运算能力的提高，部分高功率芯片的功率密度达到＂骇人＂的 1kW/cm2，甚至超越了核反应堆芯热交换界面处的热流密度，目前正向着太阳表面的功率密度逼近。
　　散热问题如果得不到有效解决，将在很大程度上限制芯片性能的发挥、以及芯片产业的发展。因此，实现冷凝液滴在更小尺度下脱离冷凝面，对于应对越来越高的芯片散热需求意义重大。
　　再以结冰结霜问题为例。结冰结霜对人类的生产生活造成很多不便。2008 年，中国南方的冰雪灾害，造成超过 1500 亿人民币的经济损失。
　　历史上，飞机机翼结冰导致了多次重大的空难。而制冷系统比如冰箱、冷库中的积冰问题，更是让人们头疼不已。
　　在过冷的固体表面上，水蒸气会首先冷凝成微小液滴。一旦冷凝液滴无法快速脱离表面，就会在存续一段时间后发生结冰，并＂感染＂周围液滴也发生结冰产生霜层。
　　霜层形成之后，就像一只＂吃不饱的怪物＂，通过吸收空气中的水蒸气，成长为厚厚的积冰，不仅对生产、生活造成诸多不便，也会对人身安全造成严重威胁。
　　综上所述，实现残留冷凝液滴的大小和体积限制，是一个具有重要意义的课题。而达成这一目标的难点在于，小尺度下的冷凝液滴非常难以脱离固体表面。
　　（来源：Nature Communications）
　　液滴的大小或尺度，一般以液滴的半径作为度量。相信大家生活中应该都观察到，下雨天车窗玻璃上残留的雨滴，往往都是个头比较小、半径大约几个毫米大小的液滴，半径在厘米大小的液滴，基本上都会滚落或者被风吹落。
　　这其实反应了一个规律，那就是：越小的液滴越难从固体表面脱落。随着液滴半径减小到毛细尺度（≈2.7mm）以下，界面黏附的效应愈发凸显。
　　此时，利用传统手段例如重力、风力等，已经不足以将小液滴拽离表面。再比如，戴眼镜的人在冬天从室外回到室内，眼镜上产生的一层＂雾＂就是冷凝液滴，它们的尺度在微米量级，比毛细尺度小两到三个量级，所以更加难以脱离表面。
　　类似冷凝液滴的黏附问题，在诸如月球基地、空间站等低重力的环境下会更加严重，故对太空探索过程中冷凝器件的有效服役提出了挑战。
　　为了实现冷凝液滴小尺度下不依赖于外力的自发脱离，学界已进行了大量研究。2009 年，杜克大学机械工程与材料科学系 Chuan-Hua Chen 教授课题组，在   Physical Review Letters   上发表论文，主要成果是其发现在超疏水表面上，冷凝液滴相互合并后会自发弹跳，这为冷凝液滴的脱离提供了新思路。
　　背后的物理力学机理是：多个液滴合并后，表面积会减小，多余的表面能会被释放出来。这一部分能量中很小的一部分被转化为弹跳动能，促使液滴克服黏附。
　　弹跳动能占释放表面能的比例，称为能量转化效率，在传统的超疏水表面上，该效率普遍低于 5%，并会随着两个液滴的大小差异（又称大小失配，mismatch）的增大而迅速下降。
　　弹跳动能占释放表面能的比例，称为能量转化效率，该效率会随着两个液滴的大小差异的增大而下降。
　　然而，10 多年过去，＂合并弹跳＂这一独特＂武器＂的威力，远没有得到充分发挥。主要原因在于，在过往报道的冷凝过程中，冷凝液滴的大小和分布具有随机性，即使是在极低黏附的仿蝉翼超疏水表面上，液滴合并弹跳仍然会因为大小失配而失效。
　　弹跳失败的液滴会残留在固体表面并逐渐长大。在此前报道的工作中，都无法实现冷凝液滴的 100% 概率弹跳，自然也无法实现冷凝液滴大小的严格控制。
　　而在此次研究工作中，针对较大半径范围（亚微米到亚毫米）内的冷凝液滴，郑泉水 课题组提出一种表面微结构设计和理论预测，能以 100% 概率让液滴发生合并弹跳，并在 16 微米半径以上，实现了冷凝液滴合并弹跳大小的严格控制，也就是＂冷凝液滴筛＂。
　　从理论预测来看，最大冷凝液滴的大小与微结构尺寸线性相关。这意味着，通过减小微结构，或可等比例地实现更小尺度的液滴均匀脱离。
　　就＂冷凝液滴筛＂的具体实现来说，其表面由超疏水薄壁栅格结构组成。一方面，通过诱导冷凝液滴合并过程中的离面流动，将能量转化效率提高一个量级（最高至 45%）。
　　另一方面，通过将冷凝液滴隔离在一个个栅格内，实现对合并行为的控制，降低合并液滴的大小差异（抑制大小失配）。
　　这两种效应协同作用，造就了 100% 的高概率弹跳。得益于此，薄壁栅格表面的冷凝液滴大小，首次在不借助外部设备和外力下，得到了严格的限制。这一特性就好像一面筛子，把所有超过临界尺度的液滴都筛出表面，因此取名为＂冷凝液滴筛＂。
　　鉴于目前的微加工手段局限，最大液滴半径和残余液滴体积，分别被严格限制在 16μm 和 3.2nl/mm2 的极小水平，优于此前学术界利用自发弹跳实现的 35μm 和 5nl/mm2 的最好水平。
　　通过微加工工艺的改进，在理论上有望通过减小栅格尺度，将液滴大小进一步缩小至百纳米量级。
　　近日，相关论文以《冷凝液滴筛》（Condensation droplet sieve）为题发表在   Nature Communications   上 [1]，清华大学航院微纳力学中心 2019 级博士生马晨是论文第一作者，郑泉水院士和清华大学航天航空学院工程力学系副教授吕存景共同执导此工作。其他作者包括清华大学航院博士生陈立、博士后袁志平、王林、佟威、以及硕士毕业生褚晨蕾。
　　图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
　　评审过程中审稿人表示：＂众所周知，在传统超疏水表面上，大小失配会抑制液滴合并弹跳，导致它们黏附表面并越长越大。在我看来实现 100% 概率的液滴弹跳是一个实质性的成就。此外，基于人工智能的液滴分布识别、精美的绘图和视频、数值模拟对实验结果的补充都令我很欣赏。＂其还认为，基于大量理论、模拟和实验结果，论文给出了具有启发性的结论。
　　图 | 论文一作马晨（来源：马晨）
　　或给表面防霜材料设计，带来变革性影响
　　该成果的一个潜在应用是，基于相变的高热流密度散热装置，例如热管和均热板。这两种器件，通过冷凝端、蒸发端和输运端，可以实现热量从＂热点＂的高效导出。
　　一种典型的＂热点＂便是前面提到的芯片。随着芯片制程尺度的减小和计算性能的提升，其单位面积产生的热量也在迅速上涨。如何实现芯片等热点处的温度控制，对于高性能计算的稳定稳定运行，以及摩尔定律的有效延续具有重要意义。
　　传统的热管和均热板内部，是亲水的多孔结构，也叫吸液芯。由于亲水表面对液体强黏附，冷凝端的液体不容易排离，会发生淤塞，从而阻碍热量的传递。
　　此外，由于倚靠吸液芯的毛细力，液体从冷凝端到蒸发端的输运速度缓慢，也存在瓶颈。如果能将冷凝液滴筛技术应用到冷凝端，则可带来两大好处：一方面，由于极少的液滴残留和高效的液滴脱离，可以提高冷凝换热效率；另一方面，可以用液滴高速弹跳代替缓慢的毛细输运，借此提高冷凝液体的输运能力。
　　经过该团队的理论预测，如果冷凝液滴半径被严格限制在 5 微米，就有可能实现更好的冷凝换热效率，将比目前最好的冷凝液滴弹跳表面效率高出 64%，并能实现 2m/s 的液滴输运速度。
　　另一个潜在应用是长效稳定的防结霜表面。有研究表明，在过冷表面上，大尺寸的冷凝液滴会优先发生结冰。这是因为液滴的结冰成核是概率事件，大液滴与固体表面的接触面积更大，并且存在时间更长，因此更容易发生结冰。
　　一旦某一个液滴结冰，就会以冰桥的形式＂感染＂临近液滴，导致后者也发生结冰，进而引起霜层的产生与蔓延。而＂冷凝液滴筛＂表面能够严格限制液滴半径，并且也可以严格限制液滴的存在时间。
　　因此，如能把液滴的大小限制在发生结冰的临界半径（20-140μm）以下，理论上有可能杜绝结霜的产生。
　　一旦该目标达成，那么对于风力叶片、蒸发器、飞机机翼、绝缘子等工件的表面防霜材料设计，有可能产生变革性的影响。
　　（来源：Nature Communications）
　　全球最早研究相关难题的课题组之一
　　据介绍，超疏水材料的表面微结构和 Cassie 湿润状态失稳问题，是阻碍超疏水材料走向实际应用的关键难题。
　　郑泉水课题组是世界上最早研究这两大难题的课题组之一。据他们统计，关于这两方面的首篇论文，均来自该团队 [2]。
　　＂近 20 年来我们一直专注解决这两大难题。其中，本文的‘冷凝液滴筛’体现了我们组在该方向的最新努力，即第一个提出这个概念并实现了实验验证，＂该团队表示。
　　而此次研究，最先是受美国北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授科塔·阿伦（Arun K.Kota）课题组的一篇论文的启发。在那篇论文中，Arun K.Kota 团队发现在两个半径 0.6mm 的液滴中间，放置一个尖锐的超疏水凸起，可以显著提高两个液滴合并弹跳的能量转化效率。
　　研究人员表示：＂这也启发我们去思考对于小尺度下的冷凝液滴来说，这种弹跳强化功能是否也能存在。但是不同于宏观液滴，冷凝液滴数量众多，并且大小和位置难以控制，如何实现液滴生长及合并行为的准确调控、充分发挥弹跳强化的功能，是一个亟待解决的难点和挑战。＂
　　而另一个启发是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系教授内纳德·米尔科维奇（Nenad Miljkovic）课题组的论文成果，，即冷凝液滴弹跳失败的最主要原因之一是合并液滴的大小差异。
　　郑泉水团队的思路是把上述两方面的结论综合起来，去试探是否可以在微观尺度利用前者提出的效策略去解决后者揭示的关键问题。
　　研究中，他们首先在宏观尺度实现了验证，然后确定了微结构的设计方案，即容易加工、且弹跳强化效果好的薄壁栅格方案。在之后的验证实验中，经过超疏水化处理的薄壁栅格结构，展现出了所预期的实验效果。
　　最后，该团队系统性探索了上述效果背后的物理机制。最激动人心的发现是，他们发现薄壁栅格上的液滴大小和栅格大小呈现线性关系，并在 16 微米以上半径范围内获得了实验验证。
　　这为今后进一步实验探索远小于光学观测极限的液滴均匀弹跳，提供了理论指导和设计思考，显示了＂冷凝液滴筛＂策略的巨大潜力。
　　（来源：Nature Communications）
　　不要一味地 follow
　　论文一作马晨表示：＂还记得我第一次观察到‘液滴筛’现象的那个晚上，电脑屏幕前的我非常兴奋，有一种梦想成真的快乐。＂
　　要知道在这次验证实验前，课题组进行了大量的理论论证和设计，非常期待可以＂见证奇迹＂。
　　马晨继续说道：＂郑老师曾说有任何激动的发现，都可以随时随地约他讨论。因此，虽然已经是周末晚上，我还是给郑老师发微信，分享了‘液滴筛’现象。郑老师得知之后，第一时间就让我建立网络会议开展讨论。＂
　　讨论中，郑泉水院士分析了拍摄的实验视频，肯定了＂液滴筛＂现象的价值，但同时也提出了一些批判性问题，例如冷凝液滴大小和数量是否能够量化得到统计规律、改变冷凝环境是否仍然能获得类似效果等，这让研究得到了进一步的完善。
　　对于这件事，郑泉水院士表示：＂马晨的实验发现令我很惊喜，但令我更开心的，是我们一起不断深挖 ‘冷凝液滴筛’价值的过程。＂
　　在郑泉水院士看来，实现小尺度冷凝液滴弹跳脱离，不仅提出了一个全新的解决思路，且其远超现有实验和观察能力的理论预测，对于不断深入挖掘自发弹跳的潜力，或能提供重要指导。
　　能在院士团队学习，也让马晨收获颇多。他说：＂跟随郑老师这些年来，学到的最宝贵的科研品质，就是‘学会问问题’，不仅是去向别人寻求帮助，更是为了养成一种批判性的思维模式。一方面，对于他人成果要学会‘挑骨头’，发现仍然存在的不足，而不是一味地 follow。另一方面，对于自己做的课题，更是要严格再严格。＂
　　在郑泉水院士身上，批判性思维方式的体现就是：他的要求＂太严厉＂了。和他讨论的过程，对于马晨而言不是很容易接受，甚至有点痛苦。当探讨学术工作的价值时，郑泉水院士往往是切中要害、刨根问底，很多时候马晨都会被问到哑口无言、甚至心灰意冷。
　　而对于学术工作的完成质量，郑泉水院士也是高标准严要求，常常带着马晨逐字逐句斟酌论文中的语句和图。
　　回到本次研究来说，如前所述其聚焦于报道＂冷凝液滴筛＂的现象、概念及结构设计准则。 接下来该团队的计划，主要分为科学研究和应用研究两个层面。
　　科学研究层面，他们希望探索液滴筛功能的极限，尝试突破目前实验中遇到的困难，＂梦想＂是实现百纳米级甚至更小尺度液滴的均匀弹跳。这一研究涉及到跨尺度的多物理场耦合模拟，及高精度的微加工手段，可以预见的是会有不小的挑战。
　　在应用研究层面，对于在相变换热、以及防结霜领域的应用，还需要后续的一系列实验来进行验证和优化，从而充分挖掘冷凝液滴筛的应用价值。
　　参考资料：
　　1.Ma, C., Chen, L., Wang, L. et al. Condensation droplet sieve.  Nat Commun  13, 5381 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32873-1
　　2. Angew Chem  (2004)， Langmuir  (2005)， PNAS  (2017）