北京清华长庚医院李舟团队合作在界面能量转换研究领域取得新进展
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清华新闻网4月1日电 在实际能源利用过程中，大量分散存在的低品位热能长期难以被有效回收，而伴随热交换过程产生的水蒸气等资源也常常未得到充分利用。如何在复杂界面条件下实现热能与水资源的协同转化，是当前能源收集研究中的重要问题。
近日，北京清华长庚医院健康科技研发中心李舟主任团队联合中国科学院大学、中国科学院北京纳米能源与系统研究所，从界面能量转换的基础机制出发，提出了一种基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应的自推进发电策略，为分布式低品位热能与水蒸气的协同利用提供了新的研究思路，围绕这一方向，研究团队聚焦“固-液-气”三相界面的动态调控，探索液滴在界面上的运动规律与能量输出行为，进一步发展出一种兼具自主运动和发电能力的新型装置。
图1.基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应的自推进发电机
这项工作的关键，在于对传统莱顿弗罗斯特现象所带来的界面阻碍进行了重新利用与调控。研究团队通过界面工程方法，构建了动态稳定的“固-液-气”三相接触状态，将动态非对称双电层发电与水系原电池反应耦合起来，使微小液滴在运动过程中持续产生电信号。实验结果表明，仅需30微升液滴，即可连续产生超过100个脉冲直流信号，展现出良好的界面能量转换潜力。在此基础上，团队进一步设计了仿生集雾装置，并与自推进发电系统集成，构建出“水蒸气收集—液滴发电—循环利用”的闭环路径。该研究不仅为分布式热能回收提供了新的技术方案，也展示了多种微尺度能量转换机制协同工作的可能性，为相关器件的小型化、集成化设计提供了重要支撑。
图2.自推进液滴的运动图像
值得关注的是，该研究虽然立足于能源收集问题，但其背后涉及的界面传质、相变调控与微尺度发电机制，与医工交叉领域长期关注的医疗电子器件供能问题具有方法上的共通性。尤其是在可穿戴监测和长期健康管理设备不断发展的背景下，如何为小型器件提供更轻量、更灵活的供能方案，正成为健康科技研发中的重要课题。该研究从基础机制层面为相关方向提供了全新的思路，也体现了在医工融合与前沿交叉创新中的持续探索。
研究成果以“利用亚稳莱顿弗罗斯特效应收集低品位热能的自推进发电机”（Self-Propelled Generator for Low-Grade Heat Harvesting via Metastable Leidenfrost Effect）为题，于3月9日在线发表于《焦耳》（Joule）。
北京清华长庚医院健康科技研发中心主任李舟、副研究员邹洋为论文通讯作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所2023级博士生程鹏为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金等的资助与支持。
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