在冬天，当进入一个温暖的建筑物时，冷凝物可能会毁坏木质咖啡桌或使玻璃杯起雾，但这并不都是不方便的；冷凝蒸发循环具有重要的应用价值。水可以从“稀薄的空气”中获取，也可以通过冷凝的方式从海水淡化厂的盐中分离出来。由于冷凝液滴蒸发时会带走热量，这也是工业和高性能计算领域冷却过程的一部分。然而，当研究人员研究最新的冷凝方法时，发现了一些奇怪的现象：

当一种特殊类型表面被一层薄薄的油覆盖时，凝结的水滴似乎在表面上以高速随机飞行，与更大的水滴融合，形成的模式不是由重力造成。华盛顿大学圣路易斯分校麦凯维工程学院机械工程与材料科学助理教授帕特里夏·维森西说：就它们自身的相对尺寸而言，它们之间的距离是如此之远，液滴的直径小于50微米。它们都在以每秒1毫米的速度，向更大的水滴移动。

魏森西和实验室的博士生孙建兴已经确定，这种看似不稳定的运动是作用在液滴上的毛细力不平衡的结果。研究还发现，液滴的速度与油的粘度和液滴大小有关，这意味着液滴的速度可以控制，其研究结果发表在《软物质》上。在工业中最常见的冷凝形式中，水蒸气冷凝在表面上形成一层厚厚的液体。这种方法被称为“膜状”冷凝。但另一种方法被证明在促进冷凝和随之而来的热量转移方面更有效：水滴状冷凝。

为什么会移动？

它已经被用于传统的疏水表面——那些排斥水的表面，例如不粘锅上的聚四氟乙烯涂层。然而，当暴露在热蒸汽中时，这些传统的不润湿表面会迅速退化。相反，几年前，研究人员发现，在粗糙或多孔疏水表面注入润滑油，如机油，会导致更快的凝结。重要的是，这些注入润滑油的表面(LIS)导致了高度流动和更小的水滴的形成，当涉及冷凝和蒸发时，这些水滴负责大部分的传热。然而，在这个过程中，表面水滴的运动似乎是不稳定的，而且速度很快。

相对于它们的大小，移动的速度非常快。问题是，为什么会移动？维森西和团队利用高速显微镜和干涉术观察了整个过程，能够辨别出发生了什么，以及液滴大小、速度和油粘度之间的关系。创造了水蒸气，并观察表面形成的小水滴，第一个过程是小水滴凝聚成更大的水滴。毛细管力使油滴长大并覆盖在液滴上，形成半月板——围绕液滴的一层弯曲的油。油在不停地移动，试图达到一种平衡，因为它覆盖了表面不同地方不同大小的液滴——如果一个大液滴在这里形成。

半月板就会在上面伸展，导致油层在其他地方收缩。收缩区域的任何小水滴都会迅速被拉向较大的水滴，从而导致富油和贫油区域。在这个过程中，较大的液滴基本上在清除空间，这反过来为更多的小液滴形成提供了空间。由于大部分的传热(约85%)是通过这些小水滴进行，所以使用LIS进行水滴冷凝应该是一种更有效的散热和从蒸汽中获取水分的方法。由于水滴非常小，直径小于100微米，所以可以在更小的区域凝结。还有一个好处。

在“传统的”凝结过程中，重力是一种清除表面水分的力量，为新水滴的形成创造空间。表面是垂直放置，水只是简单地流出。由于毛细管力在滴状冷凝充液表面起作用，所以表面的方向无关紧要。这可能会被用于个人设备上，或者在太空中，因为整个过程比传统的冷凝更有效，这可能是一种不依赖重力清理空间的好方法。接下来，Weisensee的团队将测量传热，以确定在LIS上滴状冷凝过程中，更小的水滴是否更有效。研究人员还计划研究不同的表面，以最大限度地提高液滴的运动。

博科园｜研究/来自：华盛顿大学圣路易斯分校

参考期刊《软物质》

DOI: 10.1039/C9SM00493A

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