Hvorfor kogende dråber kan løb over varme olieagtige overflader

Når du steger noget i en stegepande, og der falder nogle dråber vand ned i panden, du har muligvis lagt mærke til de dråber, der skitter rundt på toppen af ​​filmen med varm olie. Nu, det tilsyneladende trivielle fænomen er blevet analyseret og forstået for første gang af forskere ved MIT - og kan have vigtige konsekvenser for mikrofluidiske enheder, varmeoverførselssystemer, og andre nyttige funktioner.

En dråbe kogende vand på en varm overflade vil undertiden svæve på en tynd dampfilm, et velundersøgt fænomen kaldet Leidenfrost-effekten. Fordi det er ophængt på en pude af damp, dråben kan bevæge sig hen over overfladen med lille friktion. Hvis overfladen er belagt med varm olie, som har meget større friktion end dampfilmen under en Leidenfrost-dråbe, den varme dråbe skal forventes at bevæge sig meget langsommere. Men, kontraintuitivt, rækken af ​​eksperimenter på MIT har vist, at den modsatte effekt sker:Dråben på olie zoomer meget hurtigere væk end på bart metal.

Denne effekt, som driver dråber hen over en opvarmet olieagtig overflade 10 til 100 gange hurtigere end på bart metal, potentielt kan bruges til selvrensende eller afisningssystemer, eller at drive små mængder væske gennem den lille slange af mikrofluidiske enheder, der bruges til biomedicinsk og kemisk forskning og testning. Resultaterne er beskrevet i dag i en artikel i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , skrevet af kandidatstuderende Victor Julio Leon og professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

I tidligere undersøgelser, Varanasi og hans team viste, at det ville være muligt at udnytte dette fænomen til nogle af disse potentielle anvendelser, men det nye værk, producerer så høje hastigheder (ca. 50 gange hurtigere), kunne åbne op for endnu flere nye anvendelser, Siger Varanasi.

Efter lang og omhyggelig analyse, Leon og Varanasi var i stand til at bestemme årsagen til den hurtige slyngning af disse dråber fra den varme overflade. Under de rigtige betingelser for høj temperatur, olie viskositet, og olietykkelse, olien vil danne en slags tynd kappebelægning ydersiden af ​​hver vanddråbe. Når dråben varmes op, der dannes små dampbobler langs grænsefladen mellem dråben og olien. Fordi disse små bobler akkumuleres tilfældigt langs dråbens base, asymmetrier udvikler sig, og den sænkede friktion under boblen løsner dråbes fastgørelse til overfladen og driver den væk.

Den olieagtige film virker næsten som gummiet i en ballon, og når de små dampbobler brød igennem, de giver en kraft og "ballonen flyver bare af, fordi luften går ud på den ene side, skabe en momentumoverførsel, " siger Varanasi. Uden oliekappen, dampboblerne ville bare strømme ud af dråben i alle retninger, forhindrer selvfremdrift, men tilsløringseffekten holder dem inde som ballonens hud.

Fænomenet lyder simpelt, men det viser sig at afhænge af et komplekst samspil mellem begivenheder, der sker på forskellige tidsskalaer.

Dette nyanalyserede selvudstødningsfænomen afhænger af en række faktorer, inklusive dråbestørrelsen, tykkelsen og viskositeten af ​​oliefilmen, overfladens varmeledningsevne, overfladespændingen af ​​de forskellige væsker i systemet, typen af ​​olie, og overfladens tekstur.

I deres eksperimenter, den laveste viskositet af de flere olier, de testede, var omkring 100 gange mere viskøs end den omgivende luft. Så, det ville have været forventet at få bobler til at bevæge sig meget langsommere end på luftpuden ved Leidenfrost -effekten. "Det giver en idé om, hvor overraskende det er, at denne dråbe bevæger sig hurtigere, "Siger Leon.

Når kogningen starter, bobler vil tilfældigt dannes fra et eller andet kernedannelsessted, der ikke er lige i dets centrum. Bobledannelsen vil øges på den side, fører til fremdriften i én retning. Indtil nu, forskerne har ikke været i stand til at kontrollere retningen af ​​den tilfældigt fremkaldte fremdrift, men de arbejder nu på nogle mulige måder at styre retningsbestemmelsen på i fremtiden. "Vi har ideer til, hvordan man kan udløse fremdriften i kontrollerede retninger, " siger Leon.

Bemærkelsesværdigt, testene viste, at selvom oliefilmen på overfladen, som var en siliciumwafer, var kun 10 til 100 mikrometer tykt - omkring tykkelsen af ​​et menneskehår - dets adfærd svarede ikke til ligningerne for en tynd film. I stedet, på grund af fordampningen af ​​filmen, det opførte sig faktisk som en uendelig dyb pool af olie. "Vi var lidt forbløffede" over det fund, siger Leon. Mens en tynd hinde skulle have fået det til at klæbe, den praktisk talt uendelige pool gav dråben meget lavere friktion, gør det muligt at bevæge sig hurtigere end forventet, siger Leon.

Effekten afhænger af, at dannelsen af ​​de små bobler er en meget hurtigere proces end overførsel af varme gennem oliefilmen, omkring tusinde gange hurtigere, efterlader masser af tid til asymmetrierne i dråben at akkumulere. Når dampboblerne først dannes ved olie-vand-grænsefladen, de er meget mere isolerende end væsken i dråben, fører til betydelige termiske forstyrrelser i oliefilmen. Disse forstyrrelser får dråben til at vibrere, reducerer friktion og øger fordampningshastigheden.

Det tog ekstrem højhastighedsfotografering for at afsløre detaljerne i denne hurtige effekt, Leon siger, ved hjælp af en 100, 000 billeder i sekundet videokamera. "Du kan faktisk se udsvingene på overfladen, " siger Leon.

I første omgang, Varanasi siger, "Vi var stumped på flere niveauer om, hvad der foregik, fordi effekten var så uventet. … Det er et ret komplekst svar på, hvad der kan se tilsyneladende enkelt ud, men det skaber virkelig denne hurtige fremdrift."

I praksis, effekten betyder, at i visse situationer, en simpel opvarmning af en overflade, i den rigtige mængde og med den rigtige form for olieagtig belægning, kan forårsage, at ætsende skældråber fjernes fra en overflade. Længere nede på linjen, når forskerne har mere kontrol over retningsbestemmelsen, systemet kunne potentielt erstatte nogle højteknologiske pumper i mikrofluidiske enheder til at drive dråber gennem de rigtige rør på det rigtige tidspunkt. Dette kan være særligt nyttigt i mikrogravitationssituationer, hvor almindelige pumper ikke fungerer som normalt.

Det kan også være muligt at fastgøre en nyttelast til dråberne, skabe en slags mikroskala robotleveringssystem, Siger Varanasi. Og mens deres test fokuserede på vanddråber, potentielt kan det gælde mange forskellige slags væsker og sublimerende faste stoffer, han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.