清華新聞網(wǎng)4月1日電 在實(shí)際能源利用過(guò)程中，大量分散存在的低品位熱能長(zhǎng)期難以被有效回收，而伴隨熱交換過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣等資源也常常未得到充分利用。如何在復(fù)雜界面條件下實(shí)現(xiàn)熱能與水資源的協(xié)同轉(zhuǎn)化，是當(dāng)前能源收集研究中的重要問(wèn)題。
近日，北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院健康科技研發(fā)中心李舟主任團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，從界面能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)機(jī)制出發(fā)，提出了一種基于亞穩(wěn)態(tài)萊頓弗羅斯特效應(yīng)的自推進(jìn)發(fā)電策略，為分布式低品位熱能與水蒸氣的協(xié)同利用提供了新的研究思路，圍繞這一方向，研究團(tuán)隊(duì)聚焦“固-液-氣”三相界面的動(dòng)態(tài)調(diào)控，探索液滴在界面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與能量輸出行為，進(jìn)一步發(fā)展出一種兼具自主運(yùn)動(dòng)和發(fā)電能力的新型裝置。
圖1.基于亞穩(wěn)態(tài)萊頓弗羅斯特效應(yīng)的自推進(jìn)發(fā)電機(jī)
這項(xiàng)工作的關(guān)鍵，在于對(duì)傳統(tǒng)萊頓弗羅斯特現(xiàn)象所帶來(lái)的界面阻礙進(jìn)行了重新利用與調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)界面工程方法，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的“固-液-氣”三相接觸狀態(tài)，將動(dòng)態(tài)非對(duì)稱(chēng)雙電層發(fā)電與水系原電池反應(yīng)耦合起來(lái)，使微小液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中持續(xù)產(chǎn)生電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅需30微升液滴，即可連續(xù)產(chǎn)生超過(guò)100個(gè)脈沖直流信號(hào)，展現(xiàn)出良好的界面能量轉(zhuǎn)換潛力。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了仿生集霧裝置，并與自推進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)集成，構(gòu)建出“水蒸氣收集—液滴發(fā)電—循環(huán)利用”的閉環(huán)路徑。該研究不僅為分布式熱能回收提供了新的技術(shù)方案，也展示了多種微尺度能量轉(zhuǎn)換機(jī)制協(xié)同工作的可能性，為相關(guān)器件的小型化、集成化設(shè)計(jì)提供了重要支撐。
圖2.自推進(jìn)液滴的運(yùn)動(dòng)圖像
值得關(guān)注的是，該研究雖然立足于能源收集問(wèn)題，但其背后涉及的界面?zhèn)髻|(zhì)、相變調(diào)控與微尺度發(fā)電機(jī)制，與醫(yī)工交叉領(lǐng)域長(zhǎng)期關(guān)注的醫(yī)療電子器件供能問(wèn)題具有方法上的共通性。尤其是在可穿戴監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期健康管理設(shè)備不斷發(fā)展的背景下，如何為小型器件提供更輕量、更靈活的供能方案，正成為健康科技研發(fā)中的重要課題。該研究從基礎(chǔ)機(jī)制層面為相關(guān)方向提供了全新的思路，也體現(xiàn)了在醫(yī)工融合與前沿交叉創(chuàng)新中的持續(xù)探索。
研究成果以“利用亞穩(wěn)萊頓弗羅斯特效應(yīng)收集低品位熱能的自推進(jìn)發(fā)電機(jī)”（Self-Propelled Generator for Low-Grade Heat Harvesting via Metastable Leidenfrost Effect）為題，于3月9日在線(xiàn)發(fā)表于《焦耳》（Joule）。
北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院健康科技研發(fā)中心主任李舟、副研究員鄒洋為論文通訊作者，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所2023級(jí)博士生程鵬為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(26)00004-8
供稿：北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院
編輯：李華山
審核：郭玲
