江雷院士：《用于增强相变冷却的液体超扩散助推高性能喷射流沸腾》
作者：江雷（中国科学院院士，中国科学院理化技术研究所研究员）
通过设计微/纳米结构和调控表面润湿性来提高沸腾传热一直是人们普遍关注的话题，因为它在各种工业领域有着巨大的需求。通过利用工作流体（如氟化电子液体）沸腾的液体-蒸汽潜热交换实现的相变冷却，有利于将来大量技术或应用中的高功率密度电子设备的热管理，在包括5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等领域具有巨大的潜力。然而，沸腾传热作为一种动态的界面现象，对其包括液体再湿润和蒸汽离开等过程和机制的深入理解仍然具有挑战性。
江雷院士、田野副研究员等人设计了一种含有周期性微槽/金字塔阵列的微/纳米结构铜表面，其上有机冷却剂的超扩散行为（<134.1 ms）极大地促进了液体再湿润过程，从而产生特化的、超快的射流沸腾现象，同时使临界热通量和传热系数分别提高了80%和608%。对喷射流沸腾微气泡的成核、生长和分离行为的原位观察表明，带有纳米皱纹的微型沟槽/金字塔通过超扩散诱导的超快液体再湿润和持续蒸汽膜凝聚促进了潜热交换过程。最后通过对超扩散微/纳米结构的优化，以超低电力使用效率（PUE<1.04）实现了高性能相变冷却在超级计算机中心CPU芯片热管理中的应用。
为实现液体的超级扩散，作者利用纳秒脉冲激光制造技术，在Cu表面上构建了一个具有周期性微槽/金字塔阵列以及次级纳米皱纹的微/纳米结构。有机液体C6H5F9O只需134.1 ms就能在该表面上完全扩散。通过加热浸泡在有机液体中的微/纳米结构Cu表面，作者发现了一种特征性的沸腾现象，即大量的相变气泡以高速从微/纳米结构中喷出（称为“喷射流沸腾”）。团队进一步研究了气泡在表面的粘附力，发现原始Cu表面的最大液下气泡附着力超过48.9 μN，而微/纳米结构Cu表面具有超低的附着力~1.3 μN。研究结果表明，由微/纳米结构Cu表面多个液-气界面形成的不连续三相接触线可能在喷射流沸腾过程中对削弱气泡附着力、促进液体润湿和加速气泡离开起到重要作用。
作者介绍：
江雷：中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家工程院外籍院士、欧洲科学院院士、欧洲工程院院士、澳大利亚科学院外籍院士，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，中国科学技术大学纳米科学与技术学院院长，仿生界面材料科学全国重点实验室主任、苏州仿生材料科学与工程中心主任，国家杰出青年科学基金获得者。1987年从吉林大学毕业后留在本校就读硕士；1990年获得硕士学位后继续在校攻读博士学位；1994年获得吉林大学博士学位后继续在东京大学做博士后研究；1996年进入日本科技厅神奈川科学技术研究院工作；1998年入选中国科学院百人计划；1999年进入中国科学院化学研究所工作；2004年兼任国家纳米科学中心首席科学家；2008年兼任北京航空航天大学化学与环境学院院长；2022年起任中国科学技术大学纳米科学与技术学院院长；2025年任仿生界面材料科学全国重点实验室主任。江雷院士主要从事仿生功能界面材料的制备及物理化学性质的研究，通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。承担973项目（课题负责人）、基金委重点（负责）及院创新、国家“十五”科技攻关等项目；已授权专利50余项；迄今发表SCI论文800余篇，总被引167000余次，H因子为192。获得第三世界科学院化学奖、何梁何利科学技术奖、中国科学院杰出科技成就奖、美国材料学会奖励、第三届中国国际纳米科学技术会议奖、联合国教科文组织纳米科技贡献奖、德国洪堡研究奖、全国创新争先奖、求是杰出科学家奖、纳米研究奖、ACS Nano Lectureship Award。
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