Forskere beskriver termiske antiboblers rejse i et varmt bad

Bunden bliver derefter tyndere, mere skrøbelig, og til sidst kommer dråben og væsken i badet i kontakt, hvilket fører til, at antiboblen dør. Men når en flygtig dråbe anvendes i et overophedet bad, sættes en varmestrøm fra badet mod dråben gennem den tynde gasskal, og den efterfølgende fordampning af dråben kan modvirke effekten af ​​dræning.

Den resulterende antiboble har meget længere levetid. Da den fysiske oprindelse af disse relativt stabile antibobler er forskellen i temperatur mellem badet og dråben, opfandt vi terminologien "termiske antibobler" for disse objekter.

Som et første trin undersøgte vi systematisk påvirkningsforholdene, det vil sige inertien af ​​den indkommende dråbe, og temperaturforskellen mellem badet og dråben, der førte til dannelsen af ​​termiske antibobler. Vi etablerede et fasediagram som en funktion af disse to parametre, hvor antibobler kan skabes for det væskepar, de overvejede i deres undersøgelse.

Derefter fokuserede vi på dynamikken i en termisk antiboble, efter at den blev dannet. Vi observerede, at antiboblen først synker i badet, da densiteten af ​​væsken, der udgør dråben, er større end densiteten af ​​det tyktflydende bad, og damplaget, der omgiver dråben, i begyndelsen er meget tyndt. Da badet er varmere end dråbens kogepunkt, fordamper dråben og tilfører antiboblens gaslag uden at koge (det er magien ved Leidenfrost).

Som et resultat af dampdannelsen øges antiboblens opdrift og når et punkt, hvor den er lig med vægten af ​​dråben, og antiboblen stopper. Efterfølgende overvinder antiboblens opdrift vægten af ​​dråben, og dens bevægelse vender mod overfladen af ​​badet.

Når antiboblen fuldender sin rejse gennem det varme bad, sporer vi antiboblens konturer og udleder dens volumen som en funktion af tiden. For en dråbe på omkring 800 μm i radius og en temperaturforskel mellem badet og dråben tæt på 80°C, observerede vi, at volumenet af antiboblen steg med en faktor tre på omkring 200 ms. For større temperaturforskelle er antiboblens inflation vist at være endnu højere.

For at rationalisere deres observationer arbejdede vores kolleger fra TIPs-laboratoriet ved University Libre de Bruxelles, og som er involveret i denne undersøgelse, på at modellere problemet. Da varmeoverførslen, der fører til fordampningen af ​​dråben, er slave af tykkelsen af ​​gaslaget, der selv påvirkes af gravitationsdræningen, skal der skrives en koblet model for varme- og væsketransport.

Det første trin var at tilpasse de tidligere udviklede modeller for at rationalisere dynamikken i damplaget i problemet med Leidenfrost-dråber på et flydende substrat. Men desværre forudsagde denne tilgang en meget højere inflationsrate for antiboblen, omkring 20 gange højere end den, der blev observeret eksperimentelt.

Vi arbejdede hårdt på at finde den manglende ingrediens i denne model. Endelig fandt vi ud af, at den manglende ingrediens var termaliseringen af ​​dråben ved stuetemperatur, når den stødte, og pumpning af termisk energi fra badet for at nå dets kogetemperatur. Effekten af ​​dråbe-termalisering negligeres generelt i problemer, der involverer Leidenfrost-dråber, da det vedrører den tidlige dråbedynamik, hvorimod eksperimenter hovedsageligt studerer den samlede levetid for disse dråber.

I det nuværende problem med termiske antibobler beviste vi, at dråbe-termalisering er afgørende for at forudsige deres dynamik. I mangel af termalisering ville antiboblernes inflation være meget større, hvilket ville reducere deres levetid betydeligt og gøre disse genstande endnu mere flygtige, end de i virkeligheden er.

En analytisk løsning til diffusions-termalisering af en kugle, der pludselig blev bragt til en anden temperatur på dens grænseflade end ved dens centrum, var tilgængelig i litteraturen. Heldigvis var yderligere forenkling af den oprindelige løsning mulig takket være de korte tidsskalaer, der blev overvejet, og beregningen af ​​modellen kunne nemt opnås.

Et eksperimentelt bevis på vigtigheden af ​​dråbe-termalisering er troen på små satellitdråber, der nogle gange dukker op, når moderdråben bliver klemt af badet i stødøjeblikket. Inflationshastigheden for disse satellitdråber er meget højere end moderdråben. Forskellen er så stor, at volumen af ​​den lille antiboble hurtigt kan nå op på den store antiboble. Denne observation er et direkte bevis på dråbetermaliseringens hovedrolle, da satellitdråber termaliseres meget hurtigere end moderdråber på grund af deres lille størrelse.

Faktisk er det kun termaliseringsudtrykket, der kan rationalisere denne observation i de ligninger, der beskriver problemet. I slutningen af ​​dagen viser det sig, at inden for de første 100 millisekunder efter dens oprettelse, pumper en Leidenfrost-dråbe cirka 95 % af varmen fra badet for at termalisere og ikke fordampe, som man kunne konkludere fra eksisterende modeller.

Vi konkluderede, at termiske antibobler er unikke objekter til direkte at visualisere fordampningshastigheden af ​​flygtige dråber under forskellige termiske forhold og konsekvenserne af dråbe-termalisering.

I fremtiden kan disse objekter betragtes som små sonder til at estimere væskers termiske egenskaber i forskellige situationer af praktisk interesse. Endelig, hvis levetiden for disse termiske antibobler faktisk er et par gange større end deres isotermiske modstykker, har vi endnu ikke opnået fuldstændig tilfredshed. Den begrænsende faktor for disse objekter er det faktum, at efter at have nået grænsefladen tilbage på grund af deres hurtigt skiftende tæthed, ligner de meget almindelige overfladebobler og kan ikke længere betragtes som antibobler.

Den næste historie om dette emne bør skrives fra miljøer uden tyngdekraft, forhåbentlig på større tidsskalaer, takket være et ESA-godkendt projekt for parabolflyvninger, der sandsynligvis vil finde sted i 2024.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for information om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Jonas Miguet et al., Thermal Antibubbles:When Thermalization of Encapsulated Leidenfrost Drops Matters, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Holdet omfatter forskere, der arbejder inden for blødt stof fra tre laboratorier i Belgien og Frankrig. Benoid Scheid og Stéphane Dorbolo har tidligere ydet store bidrag til problemet med isotermiske antibobler. Laurent Maquet og Baptiste Darbois Texier har undersøgt forskellige problemer, der involverer Leidenfrost-effekten. Jonas Miguet er specialist i masseoverførsel i tynde væskefilm. Alle disse færdigheder tilsammen har gjort det muligt at rationalisere dynamikken i disse nye objekter, som vi kaldte "termiske antibobler."