Undersøgelse afslører den endelige skæbne ved at svæve Leidenfrost -dråber

Sprøjt lidt vand på en varm stegepande, og du vil ofte se dråberne syde og hurtigt fordampe. Men hvis du virkelig skruer op for varmen, sker der noget anderledes. Dråberne forbliver intakte, danser og skritter over overfladen i det, der er kendt som Leidenfrost -effekten. Nu har et team af forskere beskrevet, hvordan disse Leidenfrost -dråber opfylder deres ultimative skæbne.

I et papir udgivet i Videnskab fremskridt , teamet viser, at Leidenfrost -dråber, der starter med små, til sidst skyder af den varme overflade og forsvinder, mens større dråber eksploderer voldsomt med en hørbar "revne". Om dråben endelig eksploderer eller undslipper, afhænger af dens oprindelige størrelse og mængden af ​​faste forurenende stoffer - omgivende støv eller snavspartikler - dråben indeholder.

Ud over at forklare den knækkende lyd, som Johann Gottlob Leidenfrost rapporterede at have hørt i 1756, da han dokumenterede fænomenet, fundene kan vise sig nyttige i fremtidige enheder - kølesystemer eller partikeltransport- og aflejringsanordninger - der kan gøre brug af Leidenfrost -effekten.

"Dette besvarer det 250-årige spørgsmål om, hvad der producerer denne revnerlyd, "sagde Varghese Mathai, en postdoktor ved Brown University og studiens medlederforfatter. "Vi kunne ikke finde nogen tidligere forsøg i litteraturen på at forklare kilden til cracklyden, så det er et grundlæggende spørgsmål besvaret. "

Forskningen, udgivet i Videnskab fremskridt , var et samarbejde mellem Mathai på Brown, medlederforfatter Sijia Lyu fra Tsinghua University og andre forskere fra Belgien, Kina og Holland.

I årene siden Leidenfrost observerede denne særegne adfærd i vanddråber, forskere har fundet ud af fysikken i hvordan levitationsfænomenet opstår. Når en væskedråbe kommer i kontakt med en overflade, der ligger langt ud over væskens kogepunkt, der dannes en pude af damp under dråben. Denne damppude understøtter faldets vægt. Dampen isolerer også dråben og bremser dens fordampningshastighed, samtidig med at den kan glide rundt, som om den var på et magisk tæppe. For vand, dette sker, når det støder på en overflade på over 380 grader Fahrenheit. Denne Leidenfrost -temperatur varierer for andre væsker som f.eks. Olier eller alkohol.

For et par år siden, et andet forskerhold observerede den ultimative skæbne for små Leidenfrost -dråber, viser, at de støt krymper i størrelse og derefter pludselig starter af overfladen og forsvinder. Men det forklarede ikke den knækkende lyd, Leidenfrost hørte, og ingen havde foretaget en detaljeret undersøgelse for at se, hvor den lyd kom fra.

Til denne nye undersøgelse, forskerne opsatte kameraer ved optagelseshastigheder op til 40, 000 billeder pr. Sekund og følsomme mikrofoner til at observere og lytte til individuelle dråber ethanol over deres Leidenfrost -temperaturer. De fandt ud af, at når dråberne startede relativt små, de opførte sig på den måde, som de tidligere forskere havde observeret - skrumpede og derefter undslap. På et bestemt tidspunkt, når disse dråber bliver tilstrækkeligt små og lette, dampstrømmen omkring dem får dem til pludselig at slynge i luften, hvor de til sidst forsvinder.

Men når dråber starter en millimeter i diameter eller større, undersøgelsen viste, sker der noget helt andet. De større dråber krymper støt, men de bliver ikke små nok til at flyve væk. I stedet, de større dråber synker støt mod den varme overflade nedenunder. Til sidst kommer dråben i kontakt med overfladen, hvor det eksploderer med en hørbar revne. Så hvorfor krymper de større dråber ikke nok til at flyve som dråberne, der starter mindre? At, siger forskerne, er et spørgsmål om forurenende stoffer.

Ingen væske er nogensinde helt ren. De har alle små partikelforureninger - støv og andre partikler, der påvirker Leidenfrost -processen. Når dråberne krymper, koncentrationen af ​​partikelforurenende stoffer i dem stiger. Det gælder især for dråber, der starter større, fordi de har et højere absolutte partikler til at starte med. Så for dråber, der starter stort, forskerne formodede, koncentrationen af ​​forurenende stoffer kan blive så høj, at partiklerne ophobes i en fast skal langs dråbeoverfladen. Den skal afbryder tilførslen af ​​damp, der danner puden nedenunder. Som resultat, dråben synker mod den varme overflade nedenunder og eksploderer ved kontakt.

For at teste denne idé, forskerne observerede flydende dråber, der havde forskellige niveauer af kontaminering med titandioxid -mikropartikler. De fandt ud af, at når forureningsniveauet steg, det samme gjorde den gennemsnitlige størrelse af dråberne i eksplosionsøjeblikket. Forskningen var også i stand til at forestille sig forurenende skaller blandt eksplosionsresterne.

Taget sammen, beviserne tyder på, at selv små mængder forurenende stoffer spiller en central rolle i bestemmelsen af ​​Leidenfrost -dråbernes skæbne. Fundet kunne have praktiske anvendelser ud over bare at forklare den knækkende lyd, som Leidenfrost først rapporterede.

Nyere forskning har vist, at den retning, hvori Leidenfrost -dråber bevæger sig, kan kontrolleres. Det kan gøre dem nyttige som svævende partikelbærere i mikroelektroniske fremstillingsprocesser. Der er også mulighed for at bruge Leidenfrost -dråber i varmevekslere, der er designet til at holde elektroniske komponenter ved bestemte temperaturer.

"Du kan bruge disse forurenende stoffer til at ændre levetiden for en Leidenfrost -dråbe, "Sagde Mathai." Så du kan i princippet finde ud af, hvor det kommer til at deponere partiklerne, eller kontrollere, hvor længe varmeoverførslen vedvarer ved at finjustere mængden af ​​forurenende stoffer. "

Forskningsresultaterne kan potentielt bruges til at udvikle nye renhedstestmetoder for vand og andre væsker, fordi størrelsen, hvormed dråber eksploderer, er så tæt forbundet med dets forurenende belastning.