高温表面下，水往高处飞？

　　你有尝试过往烧热的锅里洒水吗?根据日常经验，当水滴滴在高温物体（150-400℃）上时，通常会出现两种现象：水滴要么接触高温物体直至沸腾殆尽，要么被水滴底部出现的水蒸气垫托起，使之从高温固体上弹跳——也就是所谓的“莱顿弗罗斯特效应”。

　　莱顿弗罗斯特效应。图片来源：imgur.com 

　　不过，香港城市大学的王钻开教授、香港科技大学的姚舒怀教授、以及美国理海大学的马诺·乔杜里（M. K. Chaudhury）教授团队的一项新研究发现，落在高温物体表面的水滴还会呈现出第三种看似不可思议的状态——“雅努斯状态”。

　　雅努斯（Janus）是古罗马神话中的开始与转变之神，因其一头注视过去，一头注视未来，又被称为双面神。研究者发现，雅努斯状态下的液滴也有“双 面”特质：一个水滴中同时存在莱顿弗罗斯特效应和接触沸腾状态。研究者在最新发表于《自然-物理学》上的论文中指出，液滴的雅努斯状态最终会导致液滴从换 热效率低的莱顿弗罗斯特区域自发地向换热效率高的沸腾区域运动，最终在沸腾区域快速蒸发。 了解这一“神状态”，人们将能够控制高温物体上水滴的移动方向。

　　双面神雅努斯雕像。图片来源：Fubar Obfusco,commons.wikimedia.org 

液滴中的“双面神”

　　高温物体上，水滴的运动状态是由什么决定的呢？除了温度这一主导因素之外，另一个就是高温物体表面的微观结构。在实验中，研究者使用许多微米级的柱 状结构做出一个密集程度各异的表面。他们将微米级柱状结构的直径和高度固定在20 μm，只通过控制柱心间距来调整柱子的密集程度。

　　扫描电子显微镜下的表面形貌，柱状结构的密集程度从左向右递增，常温下静态接触角递减。柱状结构的直径、高度和柱心间距分别用D、H和L表示。图片来源：参考文献[1] 

　　常温下，在密集程度不同的表面滴一滴水，水滴会较为对称地铺展开来。

　　常温下，在密集程度不同的表面滴一滴水，水滴距中心的偏移很小（韦伯数We=1）。 

　　但是，当表面温度分别升至一定温度范围时（以265℃为例），水滴碰撞表面后向会表面结构较稀疏的方向发生明显偏移， 最终被表面张力限制在沸腾区域，直到蒸发完毕。

　　高温下，水滴接触表面后向表面结构较稀疏的方向偏移。左端L=95 μm，右端L=35 μm，左端较右端稀疏，水滴半径R₀=1.42 mm，韦伯数We=19.3 

　　这种神奇的现象背后，是液滴下方的蒸汽垫在作怪。当高温固体表面结构稀疏时，形成的水蒸气会很快排出，蒸汽垫不足以支持水滴的重量，此时水滴会占据 底部水蒸气的空间并与柱状结构及基底充分接触，因此水滴呈接触沸腾状态。而当高温固体表面结构较为密集时，水蒸气流通受到阻碍，因此形成蒸汽垫足以支撑水 滴，甚至使水滴弹跳，于是形成了我们生活中常见的莱顿弗罗斯特现象。

水滴的雅努斯状态示意图。左侧水滴在接触蒸发状态，右侧水滴在莱顿弗罗斯特效应状态。图片来源：参考文献[1]

　　因此，当水滴处于雅努斯状态时，我们可以看到一侧的水滴像被推开，而另一侧的水滴就像被粘住一样。当然，随着温度的升高，水蒸气产生速度加快，就会在原来的接触沸腾区域形成蒸汽垫，这样一来，原来的接触沸腾区域就会转化为莱顿弗罗斯特区域。

　　猜一猜，在高温条件下往以下表面的中央滴一滴水，水滴会跳向哪个方向？

扫描电子显微镜中的表面结构。柱心间距L分别为：左上：60μm；左下100μm；右上40μm；右下30μm。图片来源：参考文献[1]

　　当基底温度为250℃时，水滴碰撞基底后，会流向表面结构较为稀疏的左侧；当基底温度升至270℃时，左上区域转化为莱顿弗罗斯特区域，水滴碰撞基底后则会流向表面结构最为稀疏的左下侧。

　　250℃（左）和270℃（右）时水滴碰撞基底后的运动方向。图片来源：参考文献[1] 

“雅努斯”在什么条件下出现？

　　当然，水滴这种偏移现象并不是在任何温度都会发生的。研究者给出了一个温度区间：在一定的柱状结构间距范围内（35 μm <L<95 μm），当温度低于225℃或高于295℃时，水滴碰撞不均匀表面后没有明显偏移。如图5所示，当固体温度为225℃，水滴接触直接就沸腾了；当固体温度 为310℃，即使在表面结构稀疏的一侧仍然可以形成支撑水滴的蒸汽垫，此时的水滴弹跳现象便与常温下水滴在超疏水表面上的弹跳^[2]无异。这个温度区间是由材料本身的特性，液滴的性质及碰撞条件共同决定的。

　　在固体温度低于225℃或高于295℃时，雅努斯状态消除，水滴碰撞后无偏移现象（韦伯数We=19.3）。图片来源：参考文献[1] 

雅努斯状态有什么用？

　　雅努斯状态可以帮助人们解决高温下难于控制水的流向的问题。由于水滴倾向于从换热效率低的区域自发地向换热效率高的沸腾区域运动，人们可以通过制备稀疏的表面微观结构来提高换热效率，进而 “吸引”高温下的水滴。

　　比如，利用雅努斯液滴的奇特性质，在一定条件下，可以让高温下的水滴“爬坡”。在均匀表面上，水滴会欢快地跳下坡去。而当表面疏密程度呈梯度时，我们可以利用雅努斯效应吸引液滴“反重力”上移，最终被固定在沸腾区域。

　　高温下（220℃），液滴在结构密集程度不同的表面上爬坡（表面倾 斜20°）。左侧为结构密集程度不同的表面，柱状结构间距范围约为20 μm <L<80 μm，且沿着上坡方向逐渐稀疏；右侧为结构均匀表面（L=30 μm）作为对照。图片来源：参考文献[1] 

　　在这种情况下，水滴其实是沿着表面结构较为稀疏的方向，也就是换热效率较高的方向移动了。值得注意的是，由于倾斜表面的碰撞情况和平面不同，特别是水滴在铺展过程中重心下移，导致液滴覆盖的区域也会不同，因此雅努斯液滴对应的温度区间也会有所变化。

　　论文第一作者李京指出：“雅努斯现象的研究可应用于提高喷水减温和燃料喷射的效率和安全性。”比如，当喷水降温时，设计一个表面形貌，减少水的迸溅，就可以提高降温效率了。研究者相信，进一步了解这位液滴中的“双面神”，可能为解决热传导相关应用中存在的问题提供启发。

　　（编辑：卷扬机）