飞秒激光直写“指引”莱顿弗罗斯特液滴运动。 导读
近期，中国科学技术大学吴东教授/雍佳乐副研究员团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为Directional Leidenfrost droplet propulsion on femtosecond-laser-engineered dual heterogeneous surfaces with hybrid boiling states的研究论文。
该研究发现飞秒激光直写的波纹结构上莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴的自驱动定向运动特性。利用飞秒激光在铝表面上设计了一种未激光烧蚀的光滑条带区和激光直写的周期性波纹微结构区交替分布的结构，使水滴在加热的结构化表面上处于混合沸腾状态。发生在波纹微结构上的间歇性非对称接触沸腾能够产生定向的驱动力，使莱顿弗罗斯特液滴实现定向推进。特别的，液滴始终沿激光扫描线方向被驱动，并且运动方向与激光加工方向恰好相反。通过巧妙设计激光加工路径，可以灵活控制莱顿弗罗斯特液滴推进的方向和轨迹，实现了包括曲线传输、液滴驱散、液滴汇集捕获、定点冷却以及流体转子等多种功能与应用。
当液滴滴落在温度远高于液体沸点的过热固体表面上时，液滴并不会迅速蒸发或剧烈飞溅，而是悬浮在高温基底上方。这种有趣的物理现象被称为莱顿弗罗斯特效应。这是因为，液滴底部因热诱导相变向下喷射蒸汽流，该蒸汽层将液滴托起。莱顿弗罗斯特效应在热管理、金属加工与焊接、低摩擦滑动系统、冷却系统、化学工程、微流控技术以及能源转换等领域有着广泛的应用。该效应的应用不仅能提高工业生产的效率和质量，还能降低安全风险。
许多应用场景依赖于莱顿弗罗斯特液滴的动态调控。研究发现，莱顿弗罗斯特液滴能够在棘轮结构、倾斜纳米线、三角形微柱阵列、人字形图案等非对称结构上发生高速定向运动。然而，这些微结构通常被均匀地制备在材料表面上，使得加热表面上的液滴要么处于接触沸腾状态（如过渡沸腾），要么处于膜沸腾状态。单一的沸腾状态只能提供与该状态相关的优势，而无法克服该状态固有的短板。集成多种沸腾状态有望结合每种状态的优势，然而能够实现混合沸腾状态的表面结构较少被报道。
表面微纳结构对于调控莱顿弗罗斯特液滴状态具有重要的作用。飞秒激光是当前微纳制造领域的先进工具之一。飞秒激光微加工技术具有加工精度高、加工材料广泛、可控性强等特点。通过飞秒激光对材料基底表面微纳结构的设计，是实现莱顿弗罗斯特效应调控的一种极具潜力方式。
该研究团队通过飞秒激光直写在铝表面上制备了一种由未被激光烧蚀的平滑区域和激光诱导的波纹状结构交替组成的条带状结构（图1）。沿着激光扫描线上，通过控制激光扫描速度，使单脉冲诱导的烧蚀坑相互重叠。后一个烧蚀坑部分叠加在前一个已形成的烧蚀坑上，沿着激光扫描线形成相互叠加的波纹状微结构。垂直于激光扫描线方向上，通过控制扫描间距使得两条激光扫描线之间留下合适范围的未烧蚀平滑区域。
图1：飞秒激光设计制备的由平滑区域和波纹状微结构区域交替组成的条带结构
在加热的所制备表面上，水滴会被激光结构化区域驱动定向运动。特别的，水滴只沿着激光扫描线的方向运动（即平行于激光扫描线），并且运动方向与激光加工方向相反（图1a）。如图2所示，在同一片铝基底上制备了两个不同的区域。在上半部分区域加工时，激光从右侧扫描到左侧（如黄色箭头所示）。在加热状态下，滴落在该区域上的水滴被向右侧驱动。相反，在下半部分区域加工时，激光从左侧扫描到右侧。该区域驱动莱顿弗罗斯特液滴向左运动。
图2：加热表面上，莱顿弗罗斯特液滴的定向运动。黄色箭头表示激光加工方向，黑色箭头表示液滴运动方向
图3揭示了飞秒激光设计的非对称结构能够定向驱动莱顿弗罗斯特液滴的机制。液滴在加热表面上处于一种混合沸腾状态。液滴底部与未激光烧蚀的平滑区域之间处于膜沸腾状态，而液滴与波纹微结构区域之间为间歇性过渡沸腾状态。膜沸腾区域有助于在液滴下方形成稳定的蒸汽垫，使液滴整体处于莱顿弗罗斯特态。波纹微结构具有显著的非对称特征。在液滴底部每次与波纹微结构的间歇性接触过程中，非对称接触沸腾发生。波纹状结构的尖峰部分能够刺入液滴底部，在该热点位置发生剧烈的局部热交换，导致从热点位置向外猛烈地喷射蒸汽气流及微小液滴。非对称结构造成了蒸汽流和微小液滴的非对称喷射，产生的反冲力使液滴受到固定方向的驱动力，从而实现了定向推进。此外，非对称波纹结构导致液滴两侧不对称的接触角，也是造成液滴定向驱动的原因之一。
图3：莱顿弗罗斯特液滴的定向驱动机制
由于莱顿弗罗斯特液滴只沿着激光扫描线被驱动，且运动方向与激光加工方向恰好相反，这为巧妙设计莱顿弗罗斯特液滴的运动方向和轨迹提供了可能。如图4所示，通过设计激光加工图案（包括加工路径和加工方向），作者实现了莱顿弗罗斯特液滴的曲线运动、从中心点向外排斥、驱使液滴汇集到中心点、流体转子等功能。
图4：基于飞秒激光设计的结构控制莱顿弗罗斯特液滴的运动及应用
总结与展望
该研究基于飞秒激光直写技术设计了一种驱动莱顿弗罗斯特液滴定向运动的简单结构。液滴在加热的制备表面上处于混合沸腾状态。这种混合沸腾状态使液滴兼具膜沸腾状态和过渡沸腾状态的优势：热表面上的液滴既拥有膜沸腾的长寿命特性，又具备接触沸腾的高效热交换能力。特别是，液滴定向驱动的方向和激光加工方向有关，这为灵活操控莱顿弗罗斯特液滴的运动方向和轨迹提供了可程序化设计方案。对这种激光诱导非均匀加热表面上液滴动力学的研究，不仅加深了对莱顿弗罗斯特效应的深入理解，也为新的工程应用开辟了道路。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.068
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作者：吴东等 来源：《光：先进制造》
