苏州纳米所在高效冷凝传热纳米界面研究中取得进展

　　冷凝微滴自驱离纳米仿生界面近年来已经引起科学界和产业界的高度关注，因为这种新型传热传质界面可用于设计开发高性能相变基热控器件以满足电子器件日益增长的散热需求、研制更节能环保的热泵/空调散热器以及开发其它新型的节能热控系统。众所周知，滴状冷凝相比膜状冷凝是一种更为有效的能量输运方式，离散的冷凝液滴相比连续液膜不仅具有较低的热阻，而且能够释放更多表面位点用于更多频次的成核-生长-融合-驱离及更有效的相变传热。然而，冷凝液滴在普通光滑金属表面上界面黏附较高，必须长到毫米尺度才能在重力作用下滑离，这就导致其本身热阻仍然过高、更新频率及驻留密度过低。原理上，金属表面原位构筑新型冷凝微滴自驱离纳米仿生功能膜可实现滴状冷凝传热系数的大幅度提升。不同于传统重力驱离的滴状冷凝模式，冷凝微滴自驱离模式是通过自身融合释放的过剩表面能来实现驱动的，无需重力、蒸汽剪切力等任何外力的辅助。然而，如何在实验上获得这种新型高效滴状冷凝传热纳米界面并揭示其潜在的结构性能关系仍然是一项挑战，迄今研究极少。

　　最近，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员高雪峰团队在铜基高效滴状冷凝传热纳米界面研究中取得新进展。他们首先利用电化学沉积法在铜材表面原位构筑超薄镍纳米锥，经低表面能化学修饰后其表面展现出非凡的小尺度冷凝微液自驱离更新和高密度核化性能；初步热学表征已证实：这种纳米结构可实现铜基表面滴状冷凝传热系数提升89%。相关工作已发表在美国化学会《应用材料界面》杂志上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 11719−11723）。此外，他们还提出了在铜材表面通过原位构筑簇状棱槽纳米针以实现滴状冷凝传热系数大幅度提升的策略。他们利用高分辨环境扫描电子显微镜及高速高分辨光学成像仪深入研究了冷凝液滴与纳米界面的相互作用并结合理论分析发现：这种微观三维粗糙的簇状棱槽纳米针不仅能够实现冷凝微滴的高密度核化，而且可以通过“自输运-自膨胀”或“单一自膨胀”的生长模式使不同微区限域生长的冷凝液形成球状悬浮微滴，这些微滴随后通过相互融合释放的过剩表面能可实现自弹离。初步的热学测试表明：这种纳米材料表面的滴状冷凝传热系数相比光滑铜材可提升至少125%。原理上，任何具有微观三维粗糙度以及极低固-液界面黏附的纳米结构都有望用于金属表面实现滴状冷凝传热效率的大幅度提升。这些发现将有助于设计开发高效传热传质纳米界面材料与热控器件。相关工作已发表在美国化学会《应用材料界面》杂志上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7,10660−10665）。

　　该工作得到了科技部国家重大研究计划、中科院重点部署项目、国家自然科学基金以及苏州纳米所所长基金的大力资助。

图1. 铜基超薄镍纳米锥膜及高效滴状冷凝传热性能

图2. 铜基簇状棱槽纳米针膜及高效滴状冷凝传热性能