短短 18 天内，东华大学斯阳教授团队在国际顶刊《Nature Communications》上连续发表2篇高水平研究论文，聚焦先进热管理材料的设计与制备，为极端环境下的高效冷却技术提供了全新解决方案。

2025年12月11日，斯阳教授团队在《Nature Communications》期刊上在线发表了题目为“AlN-based aerogel thermo-cooler enabled by enhanced phonon conduction and unconstrained liquid capillarity”的文章。该研究通过增强声子传导和不受约束的液体毛细管作用，创新性开发了铝基气凝胶热冷却器。

该器件借助气凝胶通道的无约束毛细作用，实现 8.33±0.026 mm s⁻¹ 的超快速液体传输速率（较现有先进多孔介质提升 1-2 个数量级）；同时通过单晶 AlN 纳米纤维增强声子传导，冷却速率高达 156.8℃ s⁻¹，是现有先进冷却材料的 5 倍，为通用热管理场景提供了高性能选择。

仅隔18天，12月29日，该团队再次在《Nature Communications》上发表重磅成果，以“Aerogel-based Leidenfrost vapor percolator for ultra-fast thermal cooling”为题，直击超高温环境下的冷却痛点 —— 莱顿弗罗斯特效应。该研究提出一种基于气凝胶的莱顿弗罗斯特蒸汽渗透器（NAVP），旨在解决超高温环境下莱顿弗罗斯特效应导致的换热效率低下问题，尤其适用于航空航天等对重量敏感的场景。

莱顿弗罗斯特效应指液滴在过热表面悬浮的现象，会阻碍高效传热。传统缓解方法通常依赖具有复杂表面工程的刚性材料，但它们的适用性受到严格重量要求的限制，尤其在每克重量都至关重要的航空航天系统中。

针对这一难题，团队提出了一种组成 - 结构工程策略，将中空陶瓷纳米纤维制备过程中的溶液交换技术，与气凝胶的同源定向焊接相结合，实现超轻蒸汽渗透器的协同构建。通过利用低表面能溶剂的空化效应缓解干燥应力，并采用受限焊接优化界面耦合（这对防止气凝胶网络内过度交联至关重要），制备的蒸汽渗透器具有纳米级（纳米纤维孔隙）和微米级（气凝胶孔隙）集成通道结构，可在莱顿弗罗斯特效应下实现高效蒸汽排出。

性能测试显示，该 NAVP 具有极致轻量化优势（密度仅 7 mg/cm³），能在高达 1000°C 的温度下有效抑制莱顿弗罗斯特效应，热通量达到 110.43 W cm−2，性能堪比最先进的热冷却材料。此外，在 9.5 ml/min的累积水滴冷却速率下，能将表面温度从初始 1000°C 降至约 240°C，降温幅度达 760°C。更重要的是，与依赖结构稳定性的传统冷却系统不同，蒸汽渗透器材料的失效阈值由陶瓷纳米纤维的固有熔点决定，标志着热管理技术从 “结构防御” 向 “材料本征防御” 的概念转变。

图 1 | 陶瓷纳米纤维气凝胶基蒸汽渗透器（NAVPs）的设计与原理。a 不同传热方式的对比，包括空气自然对流、空气强制对流、液体自然对流]、液体强制对流、池沸腾、射流冲击冷却和喷雾冷却。采用颜色阴影区分冷却区域：绿色表示单相冷却，红色表示相变冷却。b 典型相变冷却传热表面的示意图。c左图是一个水滴在过热的裸露金属表面上的示意图，水滴下面产生的蒸汽层不能完全逸出，形成一个绝缘屏障（发生莱顿弗罗斯特效应）。右图为在Tw = 1000℃时水滴撞击金属表面的高速倾斜和侧面图。d左图为NAVP表面上的水滴示意图，它由一系列微通道组成，这些微通道可以吸走进入的液体，并迅速排出产生的蒸汽。右图为在Tw = 1000°C时水滴接触NAVP的高速斜视图和侧面视图。e NAVP三维表面轮廓。f浮动液滴反弹瞬间的示意图。g裸露金属表面水滴的寿命（τmetal）和NAVP (τNAVP)，绘制为温度Tw的函数图。绿色阴影区对应于低温区（Tw < LFTmetal），而红色阴影区代表高温区（Tw > LFTmetal）。h NAVP的相图，以图的形式，变量为Tw和气凝胶密度d。i热流密度q作为底物温度（Tw）的函数。

图 2 | 中空陶瓷纳米纤维（HCNFs）的制备过程。a 中空陶瓷纳米纤维（HCNFs）的设计与制备流程示意图：两种不互溶的纺丝液通过同心带电针注入，该针与接地收集电极的距离较近（10-12 厘米）；形成复合泰勒锥，从中喷射出同轴纳米射流；当外层流体固化后，得到芯部填充液体的陶瓷纳米纤维。b 芯层溶液蒸发前的溶剂交换策略示意图。c 单根 HCNF 的高分辨率透射电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱（HRTEM-EDS）图像。d 原位弯曲测试过程的俯视图：将一根 HCNF 两端固定在基底上，然后进行弯曲以测定其最小弯曲半径（Rc）。e 两根独立 HCNF（标记为 HCNF-1 和 HCNF-2，各测试两次）与实心二氧化硅陶瓷纳米纤维（SCNF）的 Rc 值对比。

图 3 | 陶瓷纳米纤维气凝胶基蒸汽渗透器（NAVPs）的制备流程。a 正己烷向中空陶瓷纳米纤维（HCNFs）的毛细渗透过程。b 通过定向冷冻组装与同源定向焊接工艺制备气凝胶基蒸汽渗透器（NAVPs）的示意图。c 焊接过程示意图：向正己烷填充的 HCNFs 中引入甲基三甲氧基硅烷（MTMS）硅陶瓷溶胶，实现 HCNFs 复合材料的定制化受限界面耦合。d 正己烷填充的 HCNFs 与硅溶胶焊接后的俯视图示意图。e HCNF 与硅溶胶的界面相互作用能。f 优化后硅溶胶/ HCNF 体系的静电势（ESP）分布，取值范围为 - 0.1 至 0.1。g 甲基三甲氧基硅烷（MTMS）硅溶胶在受限剪切 0 ps、50 ps、200 ps和 400 ps后的原位模拟排列。h–k 不同放大倍数下 NAVPs 的扫描电子显微镜（SEM）图像；比例尺：h 100 μm；i 20 μm；j 20 μm；k 100 nm。l 蒸汽通过单根 HCNF 传输过程的示意图。

图 4 | 陶瓷纳米纤维气凝胶基蒸汽渗透器（NAVPs）的力学性能。a 喷雾冷却过程中液滴速度矢量的数值模拟；b 速度大小的数值模拟；c 压力分布的数值模拟。d 不同应变振幅下加载 - 卸载循环得到的应力 - 应变（σ-ε）曲线。e 应变振幅(ε=50%)条件下的 1000 次压缩循环疲劳测试。f 杨氏模量、能量损失系数及最大应力随压缩循环次数的演变规律。g 应变(ε=3%)时，NAVPs 的阻尼比、储能模量和损耗模量的频率依赖性。h 高速钢球在 NAVPs 上反弹行为的实时图像。i 冲击过程中 NAVPs 内部冯・米塞斯应力分布的有限元模拟；j 冲击过程中 NAVPs 内部应变分布的有限元模拟。

图 5 | 陶瓷纳米纤维气凝胶基蒸汽渗透器（NAVP）材料的热冷却应用。a 月球探测器在轨道运行及再入阶段温度变化的示意图。b 基于有限体积法的计算流体动力学（CFD）模拟，展示风洞中月球探测器再入舱周围的速度分布。c 流量(Q=0.5mL·min-1)下，液滴冲击过程中裸金属表面与 NAVP 表面温度的时间演化曲线。d 流量(Q=4mL·min-1)下，液滴冲击过程中裸金属表面与 NAVP 表面温度的时间演化曲线。e 流量(Q=4mL·min-1)下，水滴 80 秒的累积冷却效应，使表面温度降至 364 °C；x 和 y 分别表示 NAVP 冷却表面的长度与宽度。f 不同流量(Q=3-9.5mL·min-1)）下 NAVP 的冷却性能：流量越大，冷却响应越快，最终冷却温度越低；插图：弯曲 NAVP 样品的实物照片，展示其优异的形状适应性与机械柔韧性。g 流量(Q=9.5mL·min-1)下 80 秒的累积冷却效应，使表面温度降至约 250 °C；x 和 y 分别表示 NAVP 冷却表面的长度与宽度。h 多种结构材料的密度与最高工作温度（即莱顿弗罗斯特温度，LFT）对比，包括解耦层级结构、钴基解耦层级结构、结构化热防护装甲、微纳层级结构、定制化制备结构。

总之，该研究提出了一种组成—结构工程策略，将纳米纤维制备过程中的溶液交换与气凝胶的纤维间定向焊接相结合，实现了蒸汽渗透器的协同构建。值得注意的是，利用低表面能溶剂空化缓解干燥应力，并通过受限焊接增强界面耦合，制备出具有层级集成通道结构的蒸汽渗透器，能够在莱顿弗罗斯特条件下实现高效蒸汽排出。重要的是，所开发的蒸汽渗透器在保持 7 mg / cm3超低密度的同时，即使在接近 1000°C 的温度下也能有效抑制莱顿弗罗斯特效应。该渗透器为缓解莱顿弗罗斯特效应、实现高效传热提供了一种潜在方法。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66379-3