城大首研突破性表面設計 革新熱能管理及零摩擦系統
香港城市大學（城大）協理副校長（資源規劃）、機械工程學系及能源及環境學院王建邦教授領導的研究團隊，成功研發一種無需複雜表面工程系統，就能夠觸發萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）的革命性毛細結構，為需要溫度控制的萊頓弗羅斯特效應提供實際解決方案。
該研究題為「毛細萊頓弗羅斯特效應」，近日於國際頂尖物理學期刊《自然 – 物理學》上發表。
萊頓弗羅斯特效應是於1756年時被發現的經典物理現象。當液滴接觸到遠高於其沸點的高溫表面時，會瞬間形成一層蒸汽隔熱層，使液滴在其表面上懸浮並滾動，減慢蒸發速度。日常常見的例子是，當水滴落在高溫的平底鍋上，起初會嘶嘶作響並快速消失。但當達到萊頓弗羅斯特點（LFP），水滴便會聚集成水珠，並在表面上滾動，水珠在蒸發前的存活時間顯著延長。此效應常見於實驗室與工業應用場景中。
由於萊頓弗羅斯特效應所形成的蒸汽隔熱層，會降低傳熱效能，並有機會使液體對高溫表面的冷卻失效。因此，此效應自逾200年前被發現以來，一直被廣泛深入研究，但由於液體動態極其複雜，效應所引致的傳統結果至今仍極難精準控制。
研究團隊揭示一種全新的萊頓弗羅斯特行為——「毛細萊頓弗羅斯特效應」（Capillary Leidenfrost Effect），僅需在110 °C的溫度下，就可透過液體蒸發進行穩定及持續的固體懸浮，遠低於傳統液滴的萊頓弗羅斯特點，並無需任何特製的表面製造技術。
一般而言，傳統研究理論認為出現萊頓弗羅斯特效應需滿足基板溫度高於液體沸點的條件，但是次研究則得出截然不同的結論。研究團隊首次發現無需依賴任何特製表面技術，並是迄今而知的最低LFP。當液體注入毛細結構後，該毛細系統立即轉入萊頓弗羅斯特狀態。此懸浮狀態可維持約兩分鐘，並可透過持續補充液體，無限期持續維持。
這個極低的LFP可大幅降低在一般金屬表面上，引發萊頓弗羅斯特效應所需的臨界熱通量約五至六倍，提升傳熱效率。這項技術更可為無摩擦運動應用節省所需的能量輸入，為支持穩定的萊頓弗羅斯特熱通量提供全新發展路向。
王教授表示：「我們可以透過將液體侷限於毛細結構中，精準控制LFP。傳統上，液相變化的模式被動地由溫度控制，但現在我們證實可按實際需要，利用結構參數自訂LFP。」
他強調，這項新發現為先進熱能管理及可擴展的零摩擦運動的未來發展應用提供重大的啟示。
他補充：「我們能夠控制沸騰態轉移的溫度，在更廣泛的操作範圍內維持高效冷卻，徹底革新高性能電子技術及發電系統的換熱器與冷卻系統設計。」
這項研究已證實「毛細萊頓弗羅斯特效應」穩健可靠，並能以多種廉價材料實現，將助力開創工業應用新時代。在工業規模上突破零摩擦運動與降低阻力，將對非接觸式運輸系統及極低摩擦軸承等應用具有巨大潛力。