【破解世紀謎團之一】熱裝甲散熱破百載難題

瞬間帶走熱能 液體冷卻應用溫度有效提升至逾千二度

人類文明不斷進步，在過去千百年間，在不同科學領域上均取得重大突破。然而，在大自然無盡奧妙面前，縱使一代代科學家傾畢生之力，仍始終遺下不少難以完全解釋的謎題與現象，要待後來者在知識探索的跑道上接棒，帶來突破。

當前，全球迎來科技熱潮，佔地雖小但具備深厚科研實力的香港，近年先後有多名科研人員以其科學素養與創新靈感，成功拆解困擾科學界數以百年計的艱深問題，在科學發展的長河中創出驚人成就。香港文匯報由今日開始推出系列報道，帶領讀者跟隨香港科學家走進材料熱能、天文宇宙、流體介面的世界，了解他們如何發揮「香港智慧」，破解及進一步探索一個又一個世紀科學謎團。

有沒有想過，一滴未被蒸發掉的水珠，竟然可以成為引起核電廠爆炸的「元兇」？這是因為，當液體接觸到溫度遠超其沸點的固體表面時，會在瞬間出現「萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost Effect）」，阻礙水接觸高溫表面並大幅降低其冷卻效能，有機會導致核反應堆過熱從而產生爆炸。事實上，這個現象亦嚴重威脅各項涉及超高溫冷卻的工業生產流程。

面對這個有逾260年歷史、切身卻又難纏的科學難題，香港理工大學協理副校長（研究及創新）及機械工程學系講座教授王鑽開領導的研究團隊，成功研發出結構熱裝甲，藉快速引導水分吸熱蒸發同時疏導排出蒸氣，有效將液體冷卻的應用溫度大幅提升至1,200℃以上，為需要在超高溫環境下進行高效液體冷卻的領域及行業帶來佳音。本集讓我們一窺究竟，了解其熱裝甲如何突破被視為「不可能」的界限，破解困擾物理學界逾兩世紀的科學謎題。 ◆香港文匯報記者 鍾健文

水，是人類社會最重要的冷卻劑，一塊高溫燒紅了的鐵放進水中，「滋」一聲就會快速降溫。不過，有關的冷卻方式原來面對着重大局限。

日常生活中，如把水珠滴在稍高過其沸點（100℃）的滾燙熱鍋上，水珠會迅速沸騰及蒸發，但若熱鍋的溫度過高，遠超水的沸點，如達到350℃以上，剛滴下的水珠與熱鍋的超高溫表面之間會瞬間產生絕熱（thermal insulating）的蒸氣層，令水珠完好無損地在熱鍋表面懸浮並四處滾動，同時會因為阻斷固液接觸（liquid-solid contact）而顯著降低傳熱效能，甚至令液體對高溫表面的冷卻失效。

1756年，德國醫生約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特首次詳細描述有關物理現象，亦因此而被稱為「萊頓弗羅斯特效應」。這個冷卻失效的問題，在過去266年來一直困擾科學界。今年，王鑽開團隊的創新發明，終於成功將之破解。

王鑽開在接受香港文匯報專訪時介紹，其團隊建構了一種由多層物料複合而成的結構熱裝甲（structured thermal armour），整體由貫穿和具高導熱性的鋼柱體支撐以作快速傳熱，而中層嵌有以納米二氧化矽纖維製成的超親水絕熱多孔薄膜，可以抵受1,200℃高溫，以快速吸收水分至鋼柱受熱蒸發，在底層由薄膜與鋼柱體構成的U型通道則用作及時排出蒸氣。

適用溫度無上限 看材料耐熱極限

他將熱裝甲散熱原理比喻為疏導交通：「這就像把人群集中起來，然後經地鐵送走，既能夠保障地面交通暢順（吸住液體帶走熱能），又可以有效把人群（蒸氣）經地下管道傳送，完全解決了地面和地下的交通擠塞（傳熱散熱效能極低）問題。」

王鑽開進一步解釋，結構熱裝甲所使用的物料，彼此具有相反的熱學特性及多層級拓撲結構，巧妙地實現了無阻礙的快速熱傳導，透過蒸發將液體中的熱能散走，加上液體在極端高溫下也發生一般不會出現的超浸潤（superwetting）現象，可完全被薄膜所吸收，從而被蒸發。

他續說，是次研究發現，即使在1,200℃極端高溫下（理論上沒有上限，取決於材料的耐熱極限），結構熱裝甲仍能完全抑制「萊頓弗羅斯特效應」，同時保持高效、可控的冷卻性能。

水珠蒸發僅需0.33秒

王鑽開的團隊又進行了對照實驗，把水珠分別滴在同樣達1,000℃的結構熱裝甲及無薄膜或無管道的結構樣本上，結果顯示，水珠落在既有薄膜又有管道的結構熱裝甲表面後，將完全被薄膜吸收並於0.33秒內蒸發，而水珠蒸發的所需時間比落在無薄膜或無管道的樣本表面上快約50倍，說明熱能可以迅速被帶走，讓表面極速冷卻。

王鑽開在今年11月加入理大，有關研究為他任職香港城市大學時完成，由他與法國和內地的學者共同領導，城大兩名研究人員為第一作者，今年較早時在權威學術期刊《自然》發表，廣受國際關注。