蒸汽的滴状冷凝涵盖了周而复始的成核、生长、合并和脱离四个基本过程。临界液核的尺寸在纳米量级，而冷凝液滴从表面脱离的临界尺寸则在微米至毫米量级，这意味着滴状冷凝将横跨多个尺度范围。由于表面的形貌特征也具有多尺度的特征，因此，在冷凝液滴的生命周期中，液滴尺寸和表面结构尺寸之间也存在着复杂的跨尺度演变关系。当表面结构的特征尺度与临界液核尺寸相近时，其对冷凝成核特性的影响还亟待进一步揭示。

为了解决上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心王绍宇同学作为第一作者，王子杰同学作为第二作者，王丹琪同学作为第三作者，杨燕茹老师作为第四作者，郑少飞老师作为第五作者，高淑蓉老师作为第六作者，王晓东教授和香港城市大学李笃中教授作为通讯作者，在传热领域国际期刊Applied Thermal Engineering上发表了以纳米结构表面上的蒸汽冷凝现象为主题的论文，论文题目为“Nucleation of water vapor on nanodimpled surfaces: Effects of curvature radius and surface wettability”，该项工作主要揭示表面浸润性和拓扑结构的特征参数对冷凝成核特性影响的微观机理。

【论文概述】

通过MD模拟方法研究了蒸汽在不同纳米结构表面上的冷凝过程，通过表面势能分析方法阐明了表面浸润性和曲率半径与蒸汽成核特性之间的耦合关系，揭示了表面浸润性和拓扑结构等一系列特征参数对冷凝现象的影响机制和微观机理。

通过表面能量分析方法确定了液核产生的位点。水分子与凹坑表面之间相互作用势绝对值最大的点位于凹坑底部而不是平坦表面，这表明凹坑底部是自然成核位点。因此，蒸汽分子更容易被凹坑吸引，在凹坑内部形成液核。此外，势能的大小随表面疏水性增加而减小，使得蒸汽在更疏水的凹坑表面上成核变得更加困难。与宏观凹坑内部具有集气作用的成核机理不同，微纳尺度凹坑内部更强的固液相互作用是蒸汽在此成核的微观机理。

图1. 表面势能分布与成核位点之间的联系

在相同的表面浸润性条件下，增大凹坑的曲率半径，相互作用势绝对值最大的点同样位于凹坑内部，但相应的数值会减小。蒸汽成核能垒的增加使得初始液核的形成变得困难，甚至在有限的模拟时间内均没有观测到临界液核的产生。

图2. 不同曲率半径的凹坑表面冷凝量随时间的变化曲线

图3. 凸起结构表面上蒸汽的成核位点

论文得到了国家自然科学基金（51936004）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）资助。