熱裝甲散熱破百載難題

人类文明不断进步，在过去千百年间，在不同科学领域上均取得重大突破。然而，在大自然无尽奥妙面前，纵使一代代科学家倾毕生之力，仍始终遗下不少难以完全解释的谜题与现象，要待后来者在知识探索的跑道上接棒，带来突破。 当前，全球迎来科技热潮，占地虽小但具备深厚科研实力的香港，近年先后有多名科研人员以其科学素养与创新灵感，成功拆解困扰科学界数以百年计的艰深问题，在科学发展的长河中创出惊人成就。香港文汇报由今日开始推出系列报道，带领读者跟随香港科学家走进材料热能、天文宇宙、流体介面的世界，了解他们如何发挥「香港智慧」，破解及进一步探索一个又一个世纪科学谜团。 有没有想过，一滴未被蒸发掉的水珠，竟然可以成为引起核电厂爆炸的「元凶」？这是因为，当液体接触到温度远超其沸点的固体表面时，会在瞬间出现「莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost Effect）」，阻碍水接触高温表面并大幅降低其冷却效能，有机会导致核反应堆过热从而产生爆炸。事实上，这个现象亦严重威胁各项涉及超高温冷却的工业生产流程。 面对这个有逾260年历史、切身却又难缠的科学难题，香港理工大学协理副校长（研究及创新）及机械工程学系讲座教授王钻开领导的研究团队，成功研发出结构热装甲，借快速引导水分吸热蒸发同时疏导排出蒸气，有效将液体冷却的应用温度大幅提升至1,200℃以上，为需要在超高温环境下进行高效液体冷却的领域及行业带来佳音。本集让我们一窥究竟，了解其热装甲如何突破被视为「不可能」的界限，破解困扰物理学界逾两世纪的科学谜题。 ◆香港文汇报记者 钟健文 水，是人类社会最重要的冷却剂，一块高温烧红了的铁放进水中，「滋」一声就会快速降温。不过，有关的冷却方式原来面对着重大局限。 日常生活中，如把水珠滴在稍高过其沸点（100℃）的滚烫热锅上，水珠会迅速沸腾及蒸发，但若热锅的温度过高，远超水的沸点，如达到350℃以上，刚滴下的水珠与热锅的超高温表面之间会瞬间产生绝热（thermal insulating）的蒸气层，令水珠完好无损地在热锅表面悬浮并四处滚动，同时会因为阻断固液接触（liquid-solid contact）而显著降低传热效能，甚至令液体对高温表面的冷却失效。 1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特首次详细描述有关物理现象，亦因此而被称为「莱顿弗罗斯特效应」。这个冷却失效的问题，在过去266年来一直困扰科学界。今年，王钻开团队的创新发明，终于成功将之破解。 王钻开在接受香港文汇报专访时介绍，其团队建构了一种由多层物料复合而成的结构热装甲（structured thermal armour），整体由贯穿和具高导热性的钢柱体支撑以作快速传热，而中层嵌有以纳米二氧化矽纤维制成的超亲水绝热多孔薄膜，可以抵受1,200℃高温，以快速吸收水分至钢柱受热蒸发，在底层由薄膜与钢柱体构成的U型通道则用作及时排出蒸气。 适用温度无上限 看材料耐热极限 他将热装甲散热原理比喻为疏导交通：「这就像把人群集中起来，然后经地铁送走，既能够保障地面交通畅顺（吸住液体带走热能），又可以有效把人群（蒸气）经地下管道传送，完全解决了地面和地下的交通挤塞（传热散热效能极低）问题。」 王钻开进一步解释，结构热装甲所使用的物料，彼此具有相反的热学特性及多层级拓扑结构，巧妙地实现了无阻碍的快速热传导，透过蒸发将液体中的热能散走，加上液体在极端高温下也发生一般不会出现的超浸润（superwetting）现象，可完全被薄膜所吸收，从而被蒸发。 他续说，是次研究发现，即使在1,200℃极端高温下（理论上没有上限，取决于材料的耐热极限），结构热装甲仍能完全抑制「莱顿弗罗斯特效应」，同时保持高效、可控的冷却性能。 水珠蒸发仅需0.33秒 王钻开的团队又进行了对照实验，把水珠分别滴在同样达1,000℃的结构热装甲及无薄膜或无管道的结构样本上，结果显示，水珠落在既有薄膜又有管道的结构热装甲表面后，将完全被薄膜吸收并于0.33秒内蒸发，而水珠蒸发的所需时间比落在无薄膜或无管道的样本表面上快约50倍，说明热能可以迅速被带走，让表面极速冷却。 王钻开在今年11月加入理大，有关研究为他任职香港城市大学时完成，由他与法国和内地的学者共同领导，城大两名研究人员为第一作者，今年较早时在权威学术期刊《自然》发表，广受国际关注。