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项目年度编号
2300040048
中图分类号
TB39
成果公布年份
2022
成果简介
香港城市大学联合大连理工大学、香港中文大学，开展了“仿生表界面研究”工作。通过该项目研究，发展了仿生超浸润体系，原创性回答了一系列历史性科学问题，并突破了极端高温高效散热、流体输运与能源收集等应用的瓶颈问题。
在高效散热领域，项目攻克了极端高温环境下，由于液体难以浸润高温表面而导致的液冷失效问题（Leidenfrost效应）。研发广谱适用的柔性热装甲体系，彻底抑制Leidenfrost效应，即使在1 200℃以上的极端高温环境（仅取决于材料耐温极限）仍然可实现液体超浸润现象，从而解决高温壁面难以高效液冷的科学及工程瓶颈问题。在流体输运领域，项目构建了新型三维超浸润结构，打破自1804年来“液体铺展方向不依赖液体属性”的认知，实现流体自主择向、快速、长程输运的新概念和新方法，开辟了拓扑流体二极管的新方向；在能源收集领域，项目研发超浸润与类三极管结构相融合的体效应发电机，突破传统界面效应，根本性地解决水能以及机械能收集器件的固有物理限制，实现了多种界面（固液、固固、液液、气液）上的高效电能输出，并实现工程应用。
项目取得的创新成果
（1）实现液体在极端高温环境下超浸润，解决265年的经典科学和工程问题
极端高温环境下的高效液冷技术是世界范围内科学、技术及工程领域的前沿问题，同时也是科学史两个世纪以来难以取得突破的世界级挑战。尤其是随着我国高精尖设备（如核反应堆、航空航天飞行器等）的不断发展，极端高温环境下的高效散热能力，已逐渐成为制约这些高端设备动力性、安全性及使用寿命等方面的瓶颈问题之一。经过长期探索，高温壁面（350℃以上）的快速冷却仍然是个悬而未决的挑战。导致这一挑战的核心原因是1756年提出的Leidenfrost效应：液体接触高温壁面时（通常约200℃，Leidenfrost温度点），由于快速蒸发而产生的绝热蒸汽层将液体完全悬浮，阻断固－液接触，严重恶化传热效果而导致液冷失效。针对这一经典科学和工程问题，项目组通过材料拓扑结构调控，开发出一种可形变、轻量、广谱适用的柔性热装甲结构体系，该热装甲可紧密结合在多种形状的高温结构表面（如柱面的核燃料棒、国防武器，曲面的航空、航天发动机高温部件等高精尖设备），使其在温度高达1200℃（仅取决于材料耐温极限）的环境下仍然可以完全抑制Leidenfrost效应，实现极端高温环境下液体超浸润，最大化利用液体的相变潜热，实现高效、可控且持续的液冷效果，有望取代目前相对低效的气体冷却方式。此外，该热装甲结构体系在广谱温度区域（从100℃至1200℃以上）仍能达到稳定、高效、可控的散热性能，具有实际应用价值。项目研究成果在2022年1月发表于Nature。基于该项目成果的样品原型荣获2022年日内瓦国际发明展览会金奖。
（2）构建新型超浸润结构，实现液体自主择向
液体流动方向和速度的调控是表界面科学与工程的一个核心问题。实现液体的快速、长距离以及自驱动的定向输运不仅构成了各个自然系统的基础，同时在很多工业应用中起着决定性作用。自1804年托马斯·杨（Thomas Young）首次提出表/界面科学润湿性基础理论以来，研究者普遍认为流体趋向于降低系统能量的方向运动，此过程由固体表面结构决定而与流体本征性质无关。项目组首次发现液体可根据表面张力不同在3D毛细锯齿结构上实现流动自主择向，揭示非对称3D固/液界面交互作用机理，据此调控液体的铺展模式和输运方向，实现自主择向、快速、长程的流体输运。项目研究成果在2021年9月发表于Science。该研究工作是研究团队在超浸润领域，尤其是提出拓扑流体二极管这一原创性概念后的重大突破，将推动其在液体传输、高效散热、微流控等前沿领域的应用。通过控制材料的结构、化学能、电荷等梯度，团队前期已经成功发展了在各种材料表面、各种液体、广谱温度区间（从低温到高温）的流体运动策略和材料体系，并用于集水和相变传热等工程领域。
（3）发明和推广超浸润与类三极管结构相融合的体效应发电机
基于“任何能量的交互都是通过表界面实现的”这一重要理念，研究团队从材料表界面调控和发电器件架构设计出发，提出超浸润表面与类三极管结构相融合的体效应发电机，根本性地解决水能以及机械能收集器件的固有物理限制，实现了多种界面（固液、固固、液液、气液）上的高效电能输出。超浸润表面的设计有利于促进液体从能源收集器件表面的快速脱离从而实现表面电荷的产生、转移和高密度存储，并且显著提高器件在各种环境的耐候性和稳定性，以应对实际应用中的各种复杂工况环境。类似三极管结构的巧妙电极设计，把传统的表面效应转化为更高效的体效应，将低频水能收集效率和功率密度提高上千倍。实现了一个雨滴产生200V电压，驱动100个LED的效果。推广到固固界面的类三极管结构发电机，在约1 Hz的低频下可以产生超过1MW/m2的超高瞬时功率密度，远超领域内以往研究。超浸润界面与体效应结构设计将表面科学、能源、工程等领域有机结合在一起，有望引领新一轮能源收集技术的研究热潮及广泛应用。该工作成果于2020年2月发表于Nature，相关工作获得美国材料研究学会2020年度优秀研究生奖银奖、俊和创新奖金奖和最佳工程设计（香港），并入选2021年1月份公布的2020年度香港十大创科新闻和最佳科学新闻报道。并且，基于该项成果的“高效雾水发电机”荣获2022年日内瓦国际发明展览会评审团特别嘉许金奖。
完成单位
香港城市大学
完成人
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