То, что Вы только что наблюдали, является примером эффекта Лайденфроста, названного по имени Йохана Готтлоба Лайденфроста, немецкого врача 18-го века и ученого. Явление происходит, когда жидкость, после приближения к объекту, который является намного более горячим, чем температура кипения жидкости, производит пар, который изолирует жидкость от поверхности объекта.Эта отталкивающая сила, говорят ученые, имеет два последствия.
Это препятствует тому, чтобы капельки жидкости установили физический контакт с поверхностью, заставив их вместо этого нависнуть над поверхностью. И это заставляет капельки выпаривать более медленно, чем они были бы на поверхности с более низкой температурой, которая является все еще выше температуры кипения жидкости.
Исследователи в Гонконге и в Университете Лихай недавно продемонстрировали, что возможно эксплуатировать эффект Leidenfrost управлять направлением и местом назначения жидких капелек на поверхности и таким образом охладить его более эффективно. Они достигли этого, литографским образом копируя поверхность с особенностями микромасштаба, которые преобразовывают избыточное поверхностное натяжение в кинетическую энергию, которая продвигает капельки к «горячим точкам» на поверхности.Открытие, говорит Зуэнкай Ван из Городского университета Гонконга и Manoj Chaudhury Lehigh, имеет потенциал, чтобы улучшить технологии, которые включают микрогидродинамику, теплопередачу, теплообмен, микротеплообмен, управление водными ресурсами и тепловое управление.«Много заявлений, таких как реакторы электростанции, требуют управления и контроля движения водных капелек при очень высоких температурах», говорит Ван, адъюнкт-профессор машиностроения и биоинженерии в Городском университете. «Как правило, охлаждение чрезвычайно горячих поверхностей было достигнуто с охлаждением брызг.
Вы распыляете много водных капелек на поверхность и как они кипят, они устраняют тепло.«При высокой температуре, однако, это не работает, потому что эффект Leidenfrost препятствует тому, чтобы капельки установили достаточный контакт с поверхностью, чтобы охладить ее. Таким образом занимает слишком много времени охлаждать поверхность, выпаривая воду».
Ван, Chaudhury и их коллеги сообщили об их результатах сегодня (1 февраля) по своей природе Физика, журнал журнала Nature, в статье, названной «Направленный транспорт высокотемпературных капелек Януса, установленных структурной топографией». Ведущий автор статьи – Цзин Ли, кандидат доктора философии в отделе машиностроения и биоинженерии в Городском университете.
Противопоставление топографийУченые за прошлые 20 лет учились управлять движением жидких капелек на твердой поверхности, ломая смачивание симметрии, которая следует из воздействия капельки на поверхности. Они достигли этого, используя градиенты поверхностной энергии и использовав свет, температуру, электрическую силу и механическую вибрацию.
Chaudhury, Франклин Дж. Хауэс младший Выдающийся профессор Химической и Биомолекулярной Разработки в Lehigh, например, опубликовал статьи с его студентами в Science и Langmuir, описывающем их успешные усилия направить движение водных капелек на поверхностях.Но ученые еще не достигли этого контроля над поверхностями, нагретыми до температур Leidenfrost и выше, или на поверхностях с чрезвычайно горячими местными пятнами.Два года назад Ван придумал идею создать топографические контрасты на кремниевой вафле, запечатлев поверхность вафли с микростолбами и устроив столбы в зонах, которые варьируются согласно плотности столбов и углу контакта столбов с поверхностью.
«Эффект Leidenfrost был экстенсивно изучен для сокращения сопротивления, в то время как присутствие нежеланного слоя пара также предотвращает эффективную теплопередачу», говорит Ван. «Таким образом мы придумали идею создать асимметричную поверхность, чтобы управлять движением капельки при высоких температурах».В их статье Nature Physics исследователи сообщили, что их эксперименты, которые проводились в Гонконге, показали что «разумный контроль структурной топографии и диапазон рабочей температуры серьезного основания», подаваемого, чтобы сломать смачивание симметрии капелек.Группа также сообщила о «новом физическом явлении, в котором два параллельных смачивания указывают – Leidenfrost и кипение контакта – могут быть разработаны в единственной капельке [нагретой] выше ее точки кипения».
Капелька, исследователи написали по своей природе Физику, «показывает противопоставление (или Янус) тепловое государство с более низким углом контакта в кипящем регионе, но более высоким углом в регионе Leidenfrost». Этот контраст производит «градиент искривления, и таким образом градиент лапласовского давления».
«Поскольку вязкое разложение [капельки] минимально», написали исследователи, «получающаяся избыточная поверхностная энергия капельки преобразована в кинетическую энергию, естественно заставив его сместить от поверхности и обратиться в бегство в воздух. Капелька в конечном счете депонирована в кипятящем контакт регионе».Подобное явление по своей природе
Исследователи уподобляют это явление действию рогатки и отмечают, что что-то подобное происходит с волокнистым грибом под названием Basidiomycota. Каждая спора гриба – гидрофобная часть, с формой как тонкая пленка и мягкой контактной линзой части, с формой как сфера. Когда эти два региона вступают в контакт, они соединяются, и напряженность между гидрофобными и гидрофильными регионами создает силу, которая несет всю спору в воздух.
«Это – химическое влияние, которое оказывает природа», говорит Шухуэй Яо, адъюнкт-профессор механической и космической разработки в Гонконгском университете науки и технологии. «При соединении есть асимметрия, но желание симметрии вызывает преходящее государство и производит силу, которая продвигает спору».Контрастирующие топографии микростолбов на кремниевой вафле Вана создают подобное явление. При высокой температуре, поскольку одна часть капельки кипит и каждый не кипит, асимметрия создана.
Но как с Basidiomycota, естественное стремление к симметрии создает эффект рогатки, который продвигает капельку.Есть, однако, критическое различие между этими двумя явлениями, говорят исследователи.
В то время как природа не прилагает усилия, чтобы вести спору, но вместо этого просто выпустить ее, капелька на биовдохновленной поверхности может быть предназначена к определенному месту и сделана приземлиться на горячую точку и выпарить.