近日，我校机械工程学院青年教师刘闵婕以第一作者在国际顶尖期刊Advanced Materials上发表题为“Leidenfrost Effect-Induced Chaotic Vortex Flow for Efficient Mixing of Highly Viscous Droplets”的论文。该研究成果由刘闵婕与香港理工大学协理副校长、仿生机械领域权威学者王钻开教授，香港城市大学Steven Wang博士以及北京航空航天大学冀秉强教授合作完成。
在微流体系统中，实现液体的高效混合在合成和催化等领域具有重要的应用价值，可以有效提高反应速率、安全性以及减少化学损耗。然而，对于粘性流体，内部的高粘性力和低雷诺数导致液体在混合过程中难以实现有效地扩散。针对这一难题，刘闵婕副研究员创新性地提出了利用特殊的莱顿弗罗斯特状态来混合粘性液体的新方法（图1a）。在该状态下，稳定蒸汽膜的存在阻碍了固液之间的接触，使基底表面温度远高于液体的沸点而没有明显的蒸发现象。同时，由于内部的混沌涡流运动（图1b），处于莱顿弗罗斯特状态下的粘性液滴能够快速合并、完成高效混合。该研究首次提出了混合时间和液滴体积之间的理论关联式，与实验结果具有良好的一致性（图1c），该实验体系也可用于不同形态纳米材料的高效合成（图1d）。
图1.(a)莱顿弗罗斯特状态下粘性液滴的高效混合;(b)液滴内部的涡流运动;(c)混合时间随液滴体积的变化规律;(d)基于莱顿弗罗斯特效应，合成银纳米颗粒和纳米线
区别于传统的制备方法，基于莱顿弗罗斯特效应的混合方式极大地降低了粘性液体的混合时间，有效地提高了产品制备和生产的效率，将在生物、制药和化学工业中得到广泛应用并引领相关产业变革。该研究受到天津市现代机电装备技术重点实验室和机械工程学院机电系统计算与仿真中心等平台的大力支持，并得到国家自然科学基金、香港研究资助局和香港创新与技术基金的资助。
（审稿：机械工程学院 周秀会 编辑：党委宣传部 李焕峰）
图片来源：机械工程学院