То, что вы только что наблюдали, является примером эффекта Лейденфроста, названного в честь Иоганна Готтлоба Лейденфроста, немецкого врача и ученого 18-го века. Явление возникает, когда жидкость при приближении к объекту, который намного горячее, чем точка кипения жидкости, производит пар, который изолирует жидкость от поверхности объекта.Эта отталкивающая сила, по мнению ученых, имеет два последствия.
Он предотвращает физический контакт капель жидкости с поверхностью, заставляя их парить над поверхностью. И это заставляет капли кипеть медленнее, чем на поверхности с более низкой температурой, которая все еще выше точки кипения жидкости.
Исследователи из Гонконга и Университета Лихай недавно продемонстрировали, что можно использовать эффект Лейденфроста для управления направлением и местом назначения жидких капель на поверхности и, таким образом, для более эффективного охлаждения. Они достигли этого путем литографического рисунка поверхности с микромасштабными элементами, которые преобразуют избыточное поверхностное натяжение в кинетическую энергию, которая толкает капли к «горячим точкам» на поверхности.Открытие, говорят Зуанкай Ван из городского университета Гонконга и Манодж Чаудхури из Лихай, может улучшить технологии, которые включают микрофлюидику, теплопередачу, теплообмен, микротеплообмен, управление водными ресурсами и терморегуляцию.
«Многие приложения, такие как реакторы электростанций, требуют управления и контроля движения капель воды при очень высоких температурах», — говорит Ван, доцент кафедры механической и биомедицинской инженерии в Городском университете. «Обычно охлаждение очень горячих поверхностей осуществляется с помощью распылительного охлаждения. Вы распыляете много капель воды на поверхность, и, когда они закипают, они забирают тепло.«Однако при высокой температуре это не работает, потому что эффект Лейденфроста предотвращает достаточный контакт капель с поверхностью для ее охлаждения.
Таким образом, охлаждение поверхности путем кипячения воды занимает слишком много времени».Ван, Чаудхури и их коллеги сообщили о своих результатах сегодня (1 февраля) в Nature Physics, журнале журнала Nature, в статье под названием «Направленный перенос высокотемпературных капель Януса, опосредованный структурной топографией».
Ведущий автор статьи — доктор философии Цзин Ли. кандидат кафедры механической и биомедицинской инженерии Городского университета.Контрастные топографииЗа последние 20 лет ученые научились управлять движением капель жидкости по твердой поверхности, нарушая симметрию смачивания, возникающую в результате удара капли о поверхность.
Они достигли этого, используя градиенты поверхностной энергии и используя свет, температуру, электрическую силу и механическую вибрацию.Чаудхури, заслуженный профессор химической и биомолекулярной инженерии Франклина Дж. Хауза младшего в Лихай, например, опубликовал статьи со своими учениками в журналах Science и Langmuir, в которых описываются их успешные попытки направить движение капель воды на поверхности.Но ученые еще не достигли этого контроля на поверхностях, нагретых до температур Лейденфроста и выше, или на поверхностях с очень горячими местами.
Два года назад Ван придумал идею создания топографических контрастов на кремниевой пластине путем травления поверхности пластины микростолбиками и расположения столбов в зонах, которые различаются в зависимости от плотности столбов и угла контакта столбов с поверхностью. .«Эффект Лейденфроста был тщательно изучен на предмет снижения сопротивления, в то время как наличие нежелательного парового слоя также препятствует эффективной передаче тепла», — говорит Ван. «Таким образом, мы пришли к идее создания асимметричной поверхности для управления движением капель при высоких температурах».В своей статье в Nature Physics исследователи сообщили, что их эксперименты, которые проводились в Гонконге, показали, что «разумный контроль структурной топографии и диапазона рабочих температур твердой подложки» служит нарушению симметрии смачивания капель.Группа также сообщила о «новом физическом явлении, в котором два одновременных состояния смачивания — Лейденфроста и контактного кипения — могут быть созданы в одной капле, [нагретой] выше ее точки кипения».
Капля, как писали исследователи в Nature Physics, «демонстрирует контрастное (или Янусовое) тепловое состояние с меньшим углом смачивания в области кипения, но более высоким углом в области Лейденфроста». Этот контраст создает «градиент кривизны и, следовательно, градиент давления Лапласа».«Поскольку вязкая диссипация [капли] минимальна, — писали исследователи, — возникающая избыточная поверхностная энергия капли преобразуется в кинетическую энергию, естественным образом заставляя ее оторваться от поверхности и взлететь в воздух. осажден в области контактного кипения ».
Подобное явление в природеИсследователи сравнивают это явление с действием рогатки и отмечают, что нечто подобное происходит с нитчатым грибом под названием Basidiomycota. Каждая спора гриба частично гидрофобна, имеет форму тонкой пленки, а частично гидрофильна, имеет форму сферы.
Когда две области соприкасаются, они сливаются, и напряжение между гидрофобной и гидрофильной областями создает силу, которая переносит всю спору в воздух.«Это химический эффект, который производит природа», — говорит Шухуай Яо, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники Гонконгского университета науки и технологий. «В точке слияния существует асимметрия, но стремление к симметрии вызывает переходное состояние и создает силу, которая толкает споры».Контрастные топографии микростолбиков на кремниевой пластине Ванга создают аналогичное явление. При высокой температуре, когда одна часть капли кипит, а другая не кипит, создается асимметрия.
Но, как и в случае с Basidiomycota, естественная тенденция к симметрии создает эффект рогатки, толкающий каплю.Однако исследователи говорят, что между этими двумя явлениями есть существенная разница.
Хотя природа не пытается направить спору, а просто высвобождает ее, капля на био-вдохновленной поверхности может быть нацелена в определенное место, и она приземлится на горячую точку и закипит.