高溫表面下，水往高處飛？
你有嘗試過往燒熱的鍋里洒水嗎?根據日常經驗，當水滴滴在高溫物體（150-400℃）上時，通常會出現兩種現象：水滴要麼接觸高溫物體直至沸騰殆盡，要麼被水滴底部出現的水蒸氣墊托起，使之從高溫固體上彈跳——也就是所謂的「萊頓弗羅斯特效應」。
萊頓弗羅斯特效應。圖片來源：imgur.com
不過，香港城市大學的王鑽開教授、香港科技大學的姚舒懷教授、以及美國理海大學的馬諾·喬杜里（M. K. Chaudhury）教授團隊的一項新研究發現，落在高溫物體表面的水滴還會呈現出第三種看似不可思議的狀態——「雅努斯狀態」。
雅努斯（Janus）是古羅馬神話中的開始與轉變之神，因其一頭注視過去，一頭注視未來，又被稱為雙面神。研究者發現，雅努斯狀態下的液滴也有「雙面」特質：一個水滴中同時存在萊頓弗羅斯特效應和接觸沸騰狀態。液滴的雅努斯狀態最終會導致液滴從換熱效率低的萊頓弗羅斯特區域自發地向換熱效率高的沸騰區域運動，最終在沸騰區域快速蒸發。 了解這一「神狀態」，人們將能夠控制高溫物體上水滴的移動方向。
雙面神雅努斯雕像。圖片來源：Fubar Obfusco,commons.wikimedia.org
液滴中的「雙面神」
高溫物體上，水滴的運動狀態是由什麼決定的呢？除了溫度這一主導因素之外，另一個就是高溫物體表面的微觀結構。在實驗中，研究者使用許多微米級的柱狀結構做出一個密集程度各異的表面。他們將微米級柱狀結構的直徑和高度固定在20 μm，只通過控制柱心間距來調整柱子的密集程度。
掃描電子顯微鏡下的表面形貌，柱狀結構的密集程度從左向右遞增，常溫下靜態接觸角遞減。柱狀結構的直徑、高度和柱心間距分別用D、H和L表示。
常溫下，在密集程度不同的表面滴一滴水，水滴會較為對稱地鋪展開來。
常溫下，在密集程度不同的表面滴一滴水，水滴距中心的偏移很小（韋伯數We=1）。
但是，當表面溫度分別升至一定溫度範圍時（以265℃為例），水滴碰撞表面後向會表面結構較稀疏的方向發生明顯偏移， 最終被表面張力限制在沸騰區域，直到蒸發完畢。
高溫下，水滴接觸表面後向表面結構較稀疏的方向偏移。左端L=95 μm，右端L=35 μm，左端較右端稀疏，水滴半徑R0=1.42 mm，韋伯數We=19.3
這種神奇的現象背後，是液滴下方的蒸汽墊在作怪。當高溫固體表面結構稀疏時，形成的水蒸氣會很快排出，蒸汽墊不足以支持水滴的重量，此時水滴會佔據底部水蒸氣的空間並與柱狀結構及基底充分接觸，因此水滴呈接觸沸騰狀態。而當高溫固體表面結構較為密集時，水蒸氣流通受到阻礙，因此形成蒸汽墊足以支撐水滴，甚至使水滴彈跳，於是形成了我們生活中常見的萊頓弗羅斯特現象。
水滴的雅努斯狀態示意圖。左側水滴在接觸蒸髮狀態，右側水滴在萊頓弗羅斯特效應狀態。
因此，當水滴處於雅努斯狀態時，我們可以看到一側的水滴像被推開，而另一側的水滴就像被粘住一樣。當然，隨著溫度的升高，水蒸氣產生速度加快，就會在原來的接觸沸騰區域形成蒸汽墊，這樣一來，原來的接觸沸騰區域就會轉化為萊頓弗羅斯特區域。
猜一猜，在高溫條件下往以下表面的中央滴一滴水，水滴會跳向哪個方向？
當基底溫度為250℃時，水滴碰撞基底後，會流向表面結構較為稀疏的左側；當基底溫度升至270℃時，左上區域轉化為萊頓弗羅斯特區域，水滴碰撞基底後則會流向表面結構最為稀疏的左下側。
250℃（左）和270℃（右）時水滴碰撞基底後的運動方向。
「雅努斯」在什麼條件下出現？
當然，水滴這種偏移現象並不是在任何溫度都會發生的。研究者給出了一個溫度區間：在一定的柱狀結構間距範圍內（35 μm <L<95 μm），當溫度低於225℃或高於295℃時，水滴碰撞不均勻表面後沒有明顯偏移。如圖5所示，當固體溫度為225℃，水滴接觸直接就沸騰了；當固體溫度為310℃，即使在表面結構稀疏的一側仍然可以形成支撐水滴的蒸汽墊，此時的水滴彈跳現象便與常溫下水滴在超疏水表面上的彈跳無異。這個溫度區間是由材料本身的特性，液滴的性質及碰撞條件共同決定的。
在固體溫度低於225℃或高於295℃時，雅努斯狀態消除，水滴碰撞後無偏移現象（韋伯數We=19.3）。
雅努斯狀態有什麼用？
雅努斯狀態可以幫助人們解決高溫下難於控制水的流向的問題。由於水滴傾向於從換熱效率低的區域自發地向換熱效率高的沸騰區域運動，人們可以通過製備稀疏的表面微觀結構來提高換熱效率，進而 「吸引」高溫下的水滴。
比如，利用雅努斯液滴的奇特性質，在一定條件下，可以讓高溫下的水滴「爬坡」。在均勻表面上，水滴會歡快地跳下坡去。而當表面疏密程度呈梯度時，我們可以利用雅努斯效應吸引液滴「反重力」上移，最終被固定在沸騰區域。
高溫下（220℃），液滴在結構密集程度不同的表面上爬坡（表面傾斜20°）。左側為結構密集程度不同的表面，柱狀結構間距範圍約為20 μm <L<80 μm，且沿著上坡方向逐漸稀疏；右側為結構均勻表面（L=30 μm）作為對照。
在這種情況下，水滴其實是沿著表面結構較為稀疏的方向，也就是換熱效率較高的方向移動了。值得注意的是，由於傾斜表面的碰撞情況和平面不同，特別是水滴在鋪展過程中重心下移，導致液滴覆蓋的區域也會不同，因此雅努斯液滴對應的溫度區間也會有所變化。
論文第一作者李京指出：「雅努斯現象的研究可應用於提高噴水減溫和燃料噴射的效率和安全性。」比如，當噴水降溫時，設計一個表面形貌，減少水的迸濺，就可以提高降溫效率了。研究者相信，進一步了解這位液滴中的「雙面神」，可能為解決熱傳導相關應用中存在的問題提供啟發。
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