Вчені відкрили новий спосіб левітації води

Якщо кинути жменю крапель на дуже гарячу сковорідку, можна спостерігати, як вони стрибають і танцюють.

Ці краплі, вірите чи ні, насправді левітують. Якщо поверхня достатньо гаряча, тепло випаровує найближчий до неї бік краплі, створюючи газову подушку, на якій зависає решта краплі.

Це явище відоме як ефект Лейденфроста, на честь німецького лікаря Йоганна Готлоба Лейденфроста, який задокументував його у 18 столітті.

Тепер команда вчених розробила спосіб знизити температуру, при якій відбувається цей маленький танець води. Поверхня з мікроскопічною текстурою ефективніше передає тепло краплям, і це відкриття має значення для теплообміну в таких сферах, як охолодження промислового обладнання та градирень на атомних електростанціях.

“Ми думали, що мікростовпи змінять поведінку цього добре відомого явища, але наші результати перевершили навіть нашу власну уяву”, – каже інженер-механік Цзінтао Ченг з Політехнічного інституту і Державного університету Вірджинії.

“Спостережувана взаємодія між бульбашками і краплями є великим відкриттям для теплопередачі при кипінні”.

Ми знаємо про ефект Лейденфроста вже деякий час, і його параметри добре вивчені. Для його виникнення потрібно достатньо тепла, щоб вода миттєво утворила пару при контакті з гарячою пластиною, але не так багато тепла, щоб вся крапля води миттєво випарувалася.

Причина, чому вода не випаровується повністю при температурі Лейденського морозу, полягає в тому, що значна частина енергії від гарячої поверхні відводиться у вигляді пари, замість того, щоб потрапити до решти краплі.

Поверхня, яку розробили Ченг і його колеги, складається з сотень крихітних стовпчиків заввишки близько 0,08 міліметра, що приблизно дорівнює ширині людської волосини. Вони розташовані у вигляді сітки, розділеної відстанню близько 0,12 міліметра. Коли крапля води потрапляє на поверхню, вона покриває близько 100 стовпчиків.

Коли вода знаходиться на поверхні, стовпчики притискаються до краплі води, передаючи більше тепла всередину і дозволяючи воді швидше закипіти. Це означає, що ефект Лейденської інею можна спостерігати протягом мілісекунд і при набагато нижчих температурах, ніж на плоскій поверхні, наприклад, на плиті або сковорідці.

Насправді, команда змогла викликати левітацію Лейденфроста при 130 градусах Цельсія, що набагато нижче 230 градусів Цельсія, які вони оцінили як типові для ефекту за цих умов.

Бульбашки, що з’являються між мікростовпчиками, також здатні допомогти очистити поверхню від бруду. (Huang et al., Nat. Phys., 2024)

Вода є чудовим середовищем для охолодження. Вода кипить і випаровується при температурі близько 100 градусів за Цельсієм (вона трохи змінюється залежно від висоти над рівнем моря). Рідка вода не може бути гарячішою за цю температуру кипіння, оскільки вона перетворюється на пару.

Ось чому ця людина змогла зварити суп у поліетиленовому пакеті на вогні: тепло передається воді, яка не може перевищувати температуру плавлення пластику (примітка: не робіть цього, в пластику є хімічні речовини, які ви не хочете бачити у своєму супі).

Таким чином, поверхня з мікропористого матеріалу забезпечує більш ефективний механізм передачі тепла, який може бути набагато безпечнішим, ніж технології водяного охолодження, що використовуються зараз, кажуть дослідники, допомагаючи запобігти небезпечним нещасним випадкам, таким як вибухи парів.

“Вибухи пари відбуваються, коли бульбашки пари в рідині швидко розширюються через [наявність] інтенсивного джерела тепла поблизу. Одним із прикладів, де цей ризик є особливо актуальним, є атомні електростанції, де структура поверхні теплообмінників може впливати на ріст парових бульбашок і потенційно спричиняти такі вибухи”, – каже інженер Венг Хуанг з Вірджинського технологічного університету.

“У нашому теоретичному дослідженні ми вивчаємо, як структура поверхні впливає на режим росту парових бульбашок, надаючи цінну інформацію для контролю та зменшення ризику парових вибухів”.