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在莱顿弗罗斯特效应研究中，以往认为对称纹理表面会抑制液滴运动。研究人员开展了关于对称纹理表面上莱顿弗罗斯特液滴自推进的研究。结果发现通过自发对称性破缺可实现液滴自推进，并分析了多因素对推进速度的影响。该研究为能量转换提供新路径。
在神奇的微观世界里，液体与固体表面的相互作用一直是科学家们热衷探索的领域。莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）便是其中一个奇妙的现象，当高温基底与挥发性液体接触时，二者之间会形成一层气膜，使得液滴展现出非凡的流动性。过去，大量研究聚焦于莱顿弗罗斯特效应，发现不对称结构表面能促使液滴单向自运输，而对称结构表面通常被认为会困住液滴，抑制其运动。并且，在平表面上，只有小液滴能因自发对称性破缺实现定向运输，大液滴由于内部复杂的对流等因素，运动变得难以预测。那么，对称纹理表面真的无法让液滴高效移动吗？为了解开这个谜团，推动相关领域的发展，研究人员开启了此次意义重大的研究。
研究人员通过一系列实验、理论分析和模拟，取得了令人瞩目的成果。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为理解气液界面动态对称性破缺驱动大规模液体运动提供了新视角，也为高效热机械能转换开辟了潜在路径。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是制造高精度的实验表面，使用高精度铣床加工出具有奇偶对称周期脊的纹理表面，并设置不同类型的轨道来限制液滴运动；二是建立理论模型，构建简化的二维机械振荡器模型来描述振荡的气液界面，同时进行计算流体动力学（CFD）模拟，研究气液界面与固体表面间的流场；三是实验观测与数据处理，通过高速成像识别液滴边界，计算液滴的长度、速度等参数。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 液滴的自推进现象：实验中，在具有奇偶对称周期脊的纹理表面上，液滴出现了自推进现象。使用不同类型的轨道（轨道 I 和轨道 II）进行实验，结果表明，液滴在该表面上能持续运动较长时间，而在平表面上则随机运动且很快停止。通过分析液滴在蒸发过程中的质量、长度、速度等参数变化，建立了相关关系，确定了蒸汽膜的平均厚度约为 5.5μm。
- 自推进的机制：为解释液滴在对称纹理表面的自推进机制，研究人员构建了振荡器模型。模型显示，液体流动导致气液界面不对称（y1>y2），这种不对称通过蒸汽流场产生驱动力。CFD 模拟进一步证实，存在一个使液滴获得正向驱动力的区域，该区域随气膜厚度差（Δh）的增加而扩大。
- 液滴运动方程：研究人员考虑气液界面的倾斜角度、压力分布等因素，建立了液滴的运动方程。通过该方程预测的液滴速度与实验数据吻合良好，并且能够解释液滴运动的加速阶段以及不同参数对液滴速度的影响。
- 结构尺寸、温度和液体的影响：研究发现，纹理基底的几何参数（如 λ、b、hfin）、温度以及液体种类都会影响液滴的自推进。较大的温度差 ΔT、较小的纹理周期 λ 和较小的脊宽b能提供更高的最大推进速度Vc。此外，液氮和乙醇等液体在特定条件下也能在该结构表面自推进，且该表面结构消除了大液滴自推进的尺寸限制。
- 液体环的自推进：研究人员还发现，具有径向脊的基底能使液滴或液体环沿旋转路径自推进。通过不断添加液体，液体环可稳定旋转，这一表面设计在将热能转化为机械能或电能方面具有潜在应用。
研究结论表明，研究人员成功证明了莱顿弗罗斯特液滴在无偏好方向（前后对称）的纹理表面上能够实现自推进，其推进机制是基于气液界面与蒸汽流之间的动态对称性破缺效应。该研究不仅突破了传统认知，揭示了对称纹理表面上液滴自推进的新现象和机制，而且为相关领域的应用提供了新的思路和方法。例如，在能源转换系统中，有望利用这种现象设计更高效的能量转换装置；在微流体操控方面，也能为液体运输和控制提供新的策略。这一研究成果为后续深入研究气液界面的复杂现象和应用开发奠定了坚实基础，具有重要的科学意义和应用价值。
