微电子设备微型化和集成化程度日益提高导致设备热流密度飙升，热障问题极大的限制了其性能发展。液膜相变换热作为一种高效的换热手段，能有效解决微电子设备热障问题，已成为当前的研究热点。经典核化理论和池沸腾实验均表明，宏观尺度下疏水壁面上发生核态沸腾的起始点温度更低，然而已有的微纳尺度模拟显示，纳米尺度液膜在亲水壁面上发生爆炸沸腾的起始点温度更低。上述结果预示着，宏观尺度与微纳尺度的沸腾机理及表面浸润性对沸腾的影响机制截然不同。

围绕上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心王艳红同学作为第一作者，王绍宇同学作为第二作者，王晓东教授作为通讯作者，在传热领域国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer上发表题目为“Effects of wettability on explosive boiling of nanoscale liquid films: Whether the classical nucleation theory fails or not?”的论文。该项工作首次提出液膜临界厚度的概念，并发现水的临界厚度为10纳米。当液膜厚度超过临界厚度，液膜的沸腾遵循经典核化理论，然而当液膜厚度小于临界厚度，尺度效应凸显，经典核化理论失效。因此，论文明晰了经典核化理论的适用范围。同时，论文还重点剖析了壁面润湿性对液膜相变换热影响的微观机理，有助于理解纳米尺度下薄液膜爆炸沸腾行为及其相关机制。

【论文概述】

论文采用分子动力学模拟研究了纳米尺度薄液膜的爆炸沸腾行为，揭示了润湿性和液膜厚度对纳米尺度液膜沸腾核化影响的微观机理。模拟结果显示，当液膜厚度大于某个临界厚度时（对于水，临界厚度大约为10 nm），疏水壁面上液膜爆炸沸腾的起始点温度低于亲水壁面，与宏观的池沸腾实验吻合，表明经典核化理论依然可适用。然而当液膜厚度小于临界厚度时，亲水表面上液膜发生爆炸沸腾的起始点温度低于疏水表面，与宏观尺度的池沸腾现象截然相反。

（图中结果显示，壁面温度为400 K时，疏水壁面上液膜发生了爆炸沸腾现象，而亲水壁面上仅观测到自由表面的蒸发，由此可得出，疏水壁面上液膜发生爆炸沸腾的起始点温度低于亲水壁面）

此外，模拟也发现，在纳米尺度下液膜发生爆炸沸腾时，亲水壁面的换热性能优于疏水壁面。和宏观池沸腾以对流换热为主要换热机制不同，纳米尺度下薄液膜换热主要以导热机制为主。由于亲水壁面固液界面作用势能强于疏水壁面，使得固液界面Kapitza热阻小，因而单位时间内亲水壁面的温度梯度、换热量、蒸发速率均大于疏水壁面。亲水壁面液膜吸热更快和更多，因此，在相同的壁面过热度下，如果亲水壁面上和疏水壁面上的液膜均发生爆炸沸腾现象时，亲水壁面上的液膜发生爆炸沸腾的时间早于疏水壁面。

（图中结果显示，壁面温度为610 K时，亲水壁面爆炸沸腾出现在288 ps之后，然而疏水壁面则发生在920 ps之后。因此，当亲水和疏水壁面上液膜均发生爆炸沸腾时，亲水壁面上发生爆炸沸腾的时间更早，亲水壁面上液膜换热性能优于疏水壁面）

论文得到了国家杰出青年科学基金（51525602）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）和中央高校基本科研业务费专项资金（2017ZZD006）的资助。

撰稿人：王绍宇