炙熱液滴會化身「萊頓弗羅斯特輪」，可幫助研發新型動力裝置

科學家們發現，在炙熱的平底鍋上，水滴並不只是被動地滾動，而是會從內部產生不平衡流動，驅動自己往旁邊滾動。該現象或可幫助人類研發新型自驅動動力裝置。

水滴落在一塊300℃的恆溫熱板上，自發地開始滾動；供圖：安布爾·布伊蘭特等

來源 | AIP Inside Science

作者 | Charles Q. Choi

很多人都在廚房裡都看到過這樣的現象：把幾滴水灑在一個灼熱的煎鍋上，它們就會自發地像玻璃珠那樣滾來滾去。科學家們此前曾認為，這種現象完全是由於水滴下面快速形成的水蒸汽墊造成的；但現在，研究人員卻發現這些水滴自身也在參與推動作用，其內部不停旋轉的流體就像發動機一樣。他們還補充說，這一發現可能有助於新型自動推進裝置的研發。

萊頓弗羅斯特效應是一種經常可以在平底鍋上看到的有趣現象；圖片來自網路

1756年，德國的醫生和科學家約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特(Johann Gottlob Ledenfrost)發現，如果一塊平面的溫度高到水的沸點以上，那麼落在其上的水滴就會具有很高的流動性，而且往往一著陸就開始四處滾動。之前普遍認為，這種「萊頓弗羅斯特效應」是由液滴下方產生的蒸汽層使其懸浮所造成的，這些蒸汽層的厚度通常在50微米左右，約為人類頭髮絲平均直徑的一半；並且，這層蒸汽還能為高溫平面上的液滴提供緩衝，使其不會過快蒸發掉。

這些液滴的超高移動性也通常歸因於上面提到的懸浮：這種懸浮可以使它們幾乎不受摩擦力的影響，從而對任何擾動都非常敏感，比如周圍的氣流或其下方微小斜率所產生的重力。但現在，科學家們發現這些液滴的移動不僅來自於外力的作用，也來自於其內部自發的力量。

「懸浮」的液滴幾乎不受摩擦力的影響；圖片來自網路

「我們在這項工作中發現的最早、同時也最重要的一個驚喜就是：在萊頓弗羅斯特效應被發現的這250多年裡，許多工程學和物理學領域的科學家都研究過這種熱懸浮現象，但我們卻第一次觀察到，這些液滴並不能停留在它們所掉落的位置，而是一定會自發滾動起來，就好像其內部有個小型馬達一樣」，這項研究的通訊作者大衛·奎瑞(david quéré)說道。他是法國巴黎市工業物理與化學高等教育研究所的一名物理學家。

這項研究最初的契機是一名學生問奎瑞：在萊頓弗羅斯特效應中，液滴內部是否存在流動？為了解答這個問題，研究人員在液滴中注入了極其微小的玻璃珠（用於標記液體流動），然後在紅色激光的照射下，讓這些液滴在平坦、光滑的高溫表面上移動，同時利用高速相機和運動跟蹤軟體來監控上述整個過程。

水滴利用萊頓弗羅斯特效應可以在有刻槽的熱表面爬坡；圖片來自網路

一開始，科研人員在觀測了這些液滴後，發現其內部的顆粒（超細玻璃珠）會以趨於平衡分布的方式流動，這與奎瑞預想的完全相同。他表示：「讓一項研究變得很無聊的最常見的情況就是，一切都和你預想的一樣。」

但出人意料的是，由於高溫使這些水滴慢慢蒸發，它們開始逐漸脫離薄餅狀而越來越趨於球形，其內部的流動也隨之開始變得不平衡。一旦這些液滴的直徑縮小到一毫米左右，這些不平衡的力量就能推動水滴自發地滾動，「就像車輪一樣」，奎瑞說道。

另外，這種不平衡的力也使懸浮的液滴在其內部水流滾動的方向上產生一個向下的微小傾斜。這種傾斜的本質就像一個棘輪，它可以推動這些「萊頓弗羅斯特輪」不斷滾動，直到其完全蒸發。

新澤西州普林斯頓大學的流體動力學家霍華德·斯通（Howard Stone）表示：「這些精彩的實驗與細緻的觀察可以幫助我們來理解其中的動力學」，他沒有參與這項研究。「想想看，如果我們能夠操控這種運動將會多麼有趣。」

「萊頓弗羅斯特效應」或許能幫助我們研發出新型的動力裝置；圖片來自網路

正常情況下，這些「萊頓弗羅斯特輪」的滾動方向是隨機的。但研究人員發現，這些水滴會趨於向平面上較冷的地方滾動：因為較低的溫度會導致蒸汽層變薄，這就導致水滴下的蒸汽墊會在較熱的表面和較冷的表面之間出現傾斜。利用這一發現或許可以製成一種新型的自動推進裝置，在這種裝置中，「萊頓弗羅斯特輪」的滾動是由溫度梯度控制的。研究人員指出，在未來的研究中可以繼續探索「萊頓弗羅斯特輪」撞上牆壁或其他水滴時的表現。同時他們補充說，科學家還可以研究一下這些水滴偶爾會出現旋轉和振蕩的原因。

「我們還在研究利用固體表面的凹槽來引導液滴的方法，以便靈活地調整液滴的運動，從而控制其自推進的方向」，奎瑞表示。

研究人員們在9月10日的《自然·物理》雜誌上詳細介紹了他們的發現。

翻譯 | 孟慶宇

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/250-year-old-leidenfrost-effect-may-help-design-future-self-propelled-devices

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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