懸浮萊頓弗羅斯特水滴的最終命運

一項新的研究顯示了萊頓弗羅斯特液滴的最終命運，這些液滴懸浮在非常熱的表面之上。較大的液滴會發齣劇烈的爆炸聲。較小的那些簡單縮小並飛走。

圖片來源：Lyu / Mathai

在熱煎鍋上潑一些水，你會經常看到水滴嘶嘶聲並迅速蒸發。但如果你真的加熱了，就會發生一些不同的事情。液滴保持完整，在表面上跳舞和滑行，這就是所謂的萊頓弗羅斯特效應。現在，一個研究小組詳細介紹了這些萊頓弗羅斯特液滴如何滿足其最終命運。

在「 科學進展」雜誌上發表的一篇論文中，研究小組表明，萊頓弗羅斯特的小水滴最終從熱表面開始消失並消失，而較大的水滴則會發齣劇烈的爆炸聲，並伴有可聽見的「裂縫」。液滴最終是否爆炸或逃逸取決於其初始尺寸和固體污染物的數量 - 環境灰塵或污垢顆粒 - 液滴包含。

除了解釋Johann Gottlob Leidenfrost在1756年記錄這一現象時所聽到的裂縫聲音，這些發現可能證明在未來的設備中有用 - 冷卻系統或粒子輸送和沉積設備 - 可能利用萊頓弗羅斯特效應。

布朗大學博士後研究員，該研究的共同主要作者Varghese Mathai說：「這回答了這個有著長達250年歷史的問題。」 「我們在文獻中找不到任何先前的嘗試來解釋裂縫聲音的來源，因此這是一個基本問題的答案。」

該研究發表於「 科學進步」，是由布朗的Mathai，清華大學的共同主要作者Sijia Lyu和來自比利時，中國和荷蘭的其他研究人員合作完成的。

自萊頓弗羅斯特在水滴中觀察到這種奇特的行為以來，科學家已經找到了懸浮現象如何發生的物理學。當液滴與遠遠超出液體沸點的表面接觸時，液滴下方會形成一層蒸氣。蒸氣墊支撐著水滴的重量。蒸汽還使液滴絕緣並減緩其蒸發速率，同時使其能夠像在魔毯上一樣滑行。對於水，當遇到超過380華氏度的表面時會發生這種情況。萊頓弗羅斯特的溫度因油或酒精等其他液體而異。

幾年前，一個不同的研究團隊觀察到微小的萊頓弗羅斯特滴的最終命運，表明它們的尺寸穩定縮小，然後突然從表面發射並消失。但這並沒有解釋萊頓弗羅斯特聽到的裂縫聲音，也沒有人做過詳細的研究，看看那聲音來自哪裡。

對於這項新的研究，研究人員以每秒40,000幀的記錄速度和敏感的麥克風設置攝像機，以觀察和收聽萊頓弗羅斯特溫度以上的單個乙醇滴。他們發現，當液滴開始時相對較小時，它們的表現與先前研究人員觀察到的一樣 - 收縮然後逃逸。在某一點上，當這些液滴變得足夠小且重量輕時，它們周圍的蒸汽流會使它們突然進入空氣中，最後它們消失。

但研究表明，當液滴直徑為毫米或更大時，發生了一些非常不同的情況。較大的水滴會逐漸縮小，但它們不會小到可以飛走。相反，較大的液滴穩定地向下面的熱表面下沉。最終，液滴與表面接觸，在那裡它會發出可聽見的裂縫。那麼為什麼那些較大的水滴不會縮小到足以像飛起的水滴一樣飛行？研究人員說，這是一個污染問題。

沒有液體是純凈的。它們都有微小的顆粒污染物 - 灰塵和其他影響萊頓弗羅斯特過程的顆粒。隨著液滴收縮，其中的顆粒污染物濃度增加。對於開始變大的液滴尤其如此，因為它們具有更高的顆粒絕對值。研究人員推測，對於開始大的滴，污染物的濃度會變得很高，以至於顆粒會沿著液滴的表面積聚成堅固的殼。那殼會切斷形成下墊子的蒸汽供應。結果，液滴向下方的熱表面下沉並在接觸時爆炸。

為了測試這個想法，研究人員觀察到液滴具有不同程度的二氧化鈦微粒污染。他們發現，隨著污染物水平的增加，爆炸時液滴的平均尺寸也會增加。該研究還能夠在爆炸碎片中對污染物殼進行成像。

總之，證據表明，即使微量污染物在確定萊頓弗羅斯特液滴的命運方面也起著關鍵作用。除了解釋萊頓弗羅斯特首次報道的裂縫聲之外，這一發現可能具有實際應用價值。

最近的研究表明，萊頓弗羅斯特下降的方向可以控制。這可以使它們在微電子製造工藝中用作懸浮顆粒載體。還有可能在熱交換器中使用萊頓弗羅斯特液滴，這些熱交換器旨在將電子元件保持在特定溫度。

「你可以使用這些污染物來改變萊頓弗羅斯特液滴的使用壽命，」馬泰說。「因此，您可以原則上弄清楚它將沉積顆粒的位置，或通過微調污染物的量來控制傳熱持續多長時間。」

研究結果可能用於開發水和其他液體的新純度測試方法，因為液滴爆炸的大小與其污染負荷密切相關。

（來源：布朗大學）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！