朱忠鹏特任研究员/田野研究员/江雷院士《JACS》：最快超铺展——仅需约3.0 ms!

随着电子器件的小型化和集成化，优越的散热性能成为保证高功率现代化电子设备高效可靠运行的基础。喷雾冷却作为一种均匀高效的散热方法，主要基于冷却剂微液滴撞击热表面，借助液体蒸发相变实现高效散热。但在液滴撞击过程中通常存在飞溅和回缩的现象，限制了喷雾冷却过程中界面散热的均匀性，同时也影响散热效率。通过调节界面浸润性，实现可控的液滴撞击铺展行为，有望解决这一问题。前期围绕液滴撞击行为的研究主要聚焦于亲水、疏水和超疏水界面，由于较低的固液相互作用，这些表面上液滴普遍呈现出飞溅和回缩的动力学行为，因此通过调节界面浸润性进而抑制液滴的飞溅和回缩仍是一个挑战。

近日，中国科学技术大学苏州高等研究院特任研究员朱忠鹏（第一作者）、中国科学院理化技术研究所田野研究员（通讯作者）及中国科学院理化技术研究所江雷院士等人在《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表了题为“Ultrafast Impact Superspreading on Superamphiphilic Silicon Surfaces for Effective Thermal Management”的文章（DOI: 10.1021/jacs.3c01394）。该工作报导了水滴在超双亲硅片表面上的超快撞击铺展行为（超铺展时间仅约3.0 ms），同时有效抑制了液滴的飞溅及回缩。研究发现这是由于超双亲表面交替存在的亲/疏水纳米畴区诱导产生了二维毛细力，进而促使水滴铺展边缘产生前驱膜，前驱膜的存在有效提高了铺展边缘的液体通量，进而抑制了铺展过程中的飞溅行为；此外，前驱膜的存在也降低了铺展边缘处水平拉普拉斯压力（Laplace pressure, PL），因此液滴铺展到最大面积时收缩力也进一步降低，从而有效抑制液体回缩。此外水滴在超双亲表面的撞击铺展覆盖率可以达到60%，而疏水和亲水表面仅20%。当液滴撞击超双亲表面时，基底可以快速降低8℃，对比疏水和亲水表面只能下降5℃。此外经过连续滴液冷却后，超双亲表面比疏水和亲水表面低4℃。这些现象均展示了超双亲表面更高效的散热过程，表明这种可控的撞击超铺展行为可以进一步应用于喷雾冷却。

1、水滴在不同浸润性表面的撞击行为。

借助高速相机，水滴在疏水、亲水和超双亲表面水的撞击行为的过程。疏水表面静态水接触角为114.8±1.8°，水滴在撞击的初始阶段会出现飞溅行为，并且扩散边缘出现褶皱，然后发生部分反弹，120 ms后达到平衡状态(图1a)。对于接触角为45.5 ± 4.1°的亲水表面，初始阶段扩散边缘会出现褶皱，然后开始回缩，最后达到平衡状态(图1b)。然而，水滴在接触角约为0°的超双亲表面表现出不同的铺展行为，在铺展边缘处没有褶皱，液滴也不会回缩(图1c)，这说明基底和水滴之间的相互作用比插入的空气层之间的作用力更强，进而抑制了液体与基底的分离。

2、不同速度液滴撞击不同浸润性表面铺展行为分析。

进一步基于无量纲铺展半径ξ= Rt/R0（Rt是扩散半径，R0是初始半径）,并将撞击过程分为三个阶段——动力阶段(K-phase)、弛豫阶段(R-phase)、平衡阶段(E-phase)来分析水滴在不同浸润性表面的撞击行为，可以看到在撞击速度约为4.5m/s时，水滴撞击超双亲表面可以实现超快撞击超铺展，铺展时间仅约3.0 ms（图2a）。水滴低速撞击疏水表面时，在弛豫阶段会发生完全反弹，随着撞击速度的增加，在动力阶段会发生飞溅，而后发生部分反弹（图2b）。水滴在亲水表面的撞击行为和疏水表面相似，但在0.064 ms存在一个不明显飞溅，且弛豫阶段时间更长(图2c)。水滴撞击超双亲表面后，在动力阶段显示出超快的撞击铺展行为，3.0 ms达到最大铺展状态，最大扩散面积随着撞击速度的增加而增大（图2d）。相似润湿性表面（疏水、亲水）的最终无量纲铺展半径（ξfinal）相同，与水滴We无关；但在超双亲表面，ξfinal随着水滴的We增加而增大（图2e）。在超双亲表面拟合最大无量纲扩散半径（ξmax）与We/Oh可以得到非线性公式ξmax=2.04（We/Oh）0.13，该公式遵循‘squeeze flow model’，表明撞击超铺展是一个无剪切的扩散过程（图2f）。

3、前驱膜辅助的撞击超铺展过程。

通过记录接触角时间曲线，算得水滴撞击超双亲表面的铺展因子平均值为−0.29 ± 0.04(图3a)，表明铺展过程遵循Tanner’s Law，即水滴在超双亲表面的铺展是由前驱膜和界面浸润性驱动的。借助原子力显微镜，本工作进一步观测了超双亲界面的纳米尺度形貌及官能团分布。高度图表明超双亲硅表面是原子级平整的，粗糙度约为0.5 ± 0.2 nm(图3b)。横向摩擦力图揭示了超双亲硅片表面间隔分布的纳米尺度亲/疏畴区结构(图3c)，基于该观测结果，推测表面结构诱导的二维毛细力促使了前驱膜的产生。定义Q1、Q2、Q3分别为前驱膜、毛细膜和体相液滴单位时间单位长度横截面液体通量，发现Q1＞Q2＞Q3（图3d），即液体在撞击铺展过程中，前驱膜内的液体通量大于毛细膜内的液体通量，同时毛细膜内的液体通量大于体相液滴内的液体通量。因此前驱膜的存在使得空气不能插入液体膜和固体表面之间，进而抑制了飞溅行为。

4、铺展边缘处的受力分析。

结合高速摄像的观测结果，本工作进一步分析了在不同浸润性表面，液滴撞击过程中边缘的受力情况。当水滴撞击疏水表面时，毛细膜破裂向上生成微小水滴，发生飞溅。而后在水平拉普拉斯压力（PL）的作用下回缩，三相接触线锚定后会液滴会继续震荡（图4a）。当液滴达到最大铺展时，疏水表面导致毛细膜边缘接触角较大，水平PL = 2γ/R较高（图4b），因此收缩力驱动铺展边缘迅速回缩。当水滴撞击亲水表面并达到最大铺展状态时，毛细膜厚度相对较薄（对比疏水表面），毛细膜边缘接触角相对较小（图4c），水平PL = (2γ cos θ)/R随着浸润性的改善而减小（图4d），因此相对较小的收缩力导致液滴缓慢回缩。相比而言，水滴撞击超双亲表面表现出撞击超铺展行为（图4e），由于前驱膜的存在，形成一个额外的PL2，使得三相接触线合力PL = PL1 − PL2 = (2γ cos θ1)/ R1 − (2γ cos θ2)/R2（毛细膜PL1与前驱膜PL2的差值，图4f）降低，收缩力减小，进而抑制液体回缩，实现超铺展。

5、液滴撞击超铺展辅助的高效散热。

喷洒散热过程中，冷却剂的蒸发速率和撞击行为决定了喷洒散热的效率。图5a展示了水滴垂直撞击在高温硅片上的散热行为，当液滴铺展区域蒸发时，基底可以快速冷却。图5b展示了水滴在具有不同浸润性高温硅片上的温度变化，冷却剂撞击疏水和亲水表面后，液滴会先铺展而后收缩，最后三相接触线固定使得液-固接触区域有限，固体表面只能在液滴沉积的区域部分冷却，其他位置依然处于高温状态；而液滴在超双亲硅片表面可以实现大面积铺展，同时借助高效蒸发可以实现大面积散热。围绕液滴铺展面积，本工作考察了不同润湿性基底表面连续滴加单个水滴时冷却液的铺展面积。在超双亲表面，液体覆盖比超过60%，而疏水和亲水表面覆盖占比仅能达到20%（图5c）。同时超双亲表面在冷却初期表面温度可以快速降低约8℃，而疏水和亲水表面只能降低约5℃（图5d）。且较长的时间后，超双亲表面温度比疏水和亲水表面低约4℃。基于以上结果计算界面热流量发现，超双亲表面比疏水和亲水表面热流量高三倍（图5e），以上结果均说明基于超双亲表面的液滴撞击超铺展行为可以实现高效的喷洒散热，可应用于核反应堆、超级计算机、微型芯片等领域。

该工作报道了超双亲表面上抑制了液滴撞击过程中飞溅和回缩的可控超快撞击超铺展行为，利用该撞击超铺展行为能够有效提高喷雾冷却过程中蒸发散热的均匀性与效率。此外，可控的液滴撞击超铺展行为在减少农药浪费、提高喷墨打印精确度、以及滴-涂法制造功能薄膜等应用中都具有巨大的应用潜力。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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