纳米结构超疏水表面冷凝液滴自发游走机制及其高效传热增强研究

研究人员针对传统冷凝过程中液滴滞留导致的传热效率低下问题，开展了纳米结构超疏水表面冷凝液滴自发游走（roaming）行为的研究。通过高速成像和数值模拟，首次揭示了由纳米空腔随机润湿引起的粘附不对称性驱动液滴产生切向运动的机制，证明该现象可使表面更新率达70%/秒，传热系数较膜状冷凝提升284%。这项发表于《Nature Communications》的研究为极端条件下高效相变传热提供了新范式。

　　

在能源转换、海水淡化等工业领域，蒸汽冷凝过程的传热效率直接决定系统性能。传统冷凝过程中，液滴在表面滞留会形成隔热膜层，而现有基于微结构超疏水表面的液滴弹跳（jumping）机制虽能改善传热，但在高过冷度（subcooling）条件下仍面临结构润湿失效的瓶颈。瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）的Cheuk Wing Edmond Lam团队通过发现冷凝液滴在纯纳米结构表面的自发游走现象，为这一难题提供了创新解决方案。

研究团队采用高速摄像（4.5μm/像素）和定制化冷凝装置，在30 mbar饱和蒸汽环境下观测到：当表面过冷度超过1.5K时，微米级冷凝液滴会沿任意平面方向自发运动，平均游走距离达744μm（37倍液滴直径），速度达0.18 m/s。通过扫描电镜（SEM）表征的勃姆石纳米墙（boehmite nanowalls）结构和接触角测试（ACA=162.5°±1.8°，CAH=1.1°）证实表面具备理想超疏水性。数值模拟显示，纳米空腔随机润湿产生的局部亲水区（接触角2°）会打破液滴合并时的对称性，将48%的表面自由能转化为切向动能，效率远超弹跳机制的20%。

游走在纯纳米结构表面的特征

实验数据显示，游走事件持续时间5.3±3.4 ms，过程中主液滴通过合并周围液滴持续生长，其圆形度（circularity）和费雷特比（Feret ratio）在5ms内趋近于1，表明界面振荡能逐渐转化为平移动能。与依赖重力或弹跳的液滴移除方式不同，游走运动的邦德数（Bo=0.0009）证实其完全由毛细作用主导。

传热性能与过渡过冷度

在ΔT=2.6K时，游走使传热系数达97.5 kW·m^-2·K^-1，比膜状冷凝（25.4 kW·m^-2·K^-1）提升284%。关键过渡发生在临界成核直径（d_crit≈23nm）小于纳米空腔尺寸时，此时体积成核速率激增，导致空腔随机填充并产生润湿不对称性。相比之下，具有稀疏纳米针的铜表面在ΔT=0.7K即发生过渡，验证了结构密度对游走触发阈值的影响。

切向动量产生机制

数值模拟重现了双液滴合并过程：当其中一个液滴底部存在20%面积的亲水区时，液桥回缩（recoil）会产生显著x方向动量（p_x）。实验观察到液滴脱离时的反射变化证实了动态去润湿（dewetting）过程，该过程通过反复打破表面对称性，将法向振荡转化为切向运动。

这项研究建立了纳米结构润湿不对称性与冷凝液滴宏观运动的内在关联，提出的游走机制比传统弹跳模式具有三大优势：更高的表面更新率（>70%/秒）、更广的液滴清除范围、更强的过冷度适应性。该发现为设计新一代抗结冰材料、高效冷凝器等设备提供了理论基石，相关技术已通过钛纳米棒和铜纳米针等多种纳米结构验证其普适性。论文中采用的化学气相沉积（iCVD）涂层工艺（3.5nm厚pPFDA）和铝基勃姆石纳米墙制备方法，为工业级超疏水表面的可控制造提供了可靠方案。