Rozpuść kilka kropel wody na gorącą patelnię, a jeśli patelnia jest wystarczająco gorąca, woda zacznie skwierczeć, a kropelki wody będą wydawać się toczyć i unosić, unosząc się nad powierzchnią.
Temperatura, w której zachodzi to zjawisko, zwane efektem Leidenfrosta, jest przewidywalna i zwykle przekracza 230 stopni Celsjusza. Zespół Jiangtao Chenga, profesora nadzwyczajnego na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Wirginii, odkrył metodę wytwarzania lewitacji wodnej w znacznie niższej temperaturze, a wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Physics. Obok pierwszego autora i doktora. studentka Wenge Huang, zespół Chenga współpracował w ramach części badań z Laboratorium Narodowym Oak Ridge i Politechniką Dalian.
Odkrycie ma ogromny potencjał w zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła, takich jak chłodzenie maszyn przemysłowych i czyszczenie wymienników ciepła z zanieczyszczeń powierzchniowych. Może również pomóc w zapobieganiu uszkodzeniom, a nawet katastrofom maszyn nuklearnych.
Obecnie w USA istnieje ponad 90 licencjonowanych, działających reaktorów jądrowych, które zasilają dziesiątki milionów domów, zakotwiczają lokalne społeczności i faktycznie odpowiadają za połowę krajowej produkcji energii elektrycznej z czystej energii. Stabilizacja i chłodzenie tych reaktorów wymaga zasobów, a wymiana ciepła ma kluczowe znaczenie dla normalnej pracy.
Fizyka unoszącej się wody
Od trzech stuleci efekt Leidenfrosta jest dobrze znanym zjawiskiem wśród fizyków, które określa temperaturę, w której kropelki wody unoszą się w warstwie własnej pary. Chociaż powszechnie udokumentowano, że temperatura zaczyna się od 230 stopni Celsjusza, Cheng i jego zespół przesunęli tę granicę znacznie niżej.
Efekt występuje, ponieważ istnieją dwa różne stany wody żyjące razem. Gdybyśmy mogli zobaczyć wodę na poziomie kropli, zaobserwowalibyśmy, że nie cała kropla wrze na powierzchni, a tylko jej część. Ciepło odparowuje dno, ale energia nie przemieszcza się przez całą kroplę. Część cieczy znajdująca się nad parą otrzymuje mniej energii, ponieważ większość z niej jest wykorzystywana do zagotowania dna. Ta płynna część pozostaje nienaruszona i właśnie to widzimy unoszące się na własnej warstwie pary. Od czasu jego odkrycia w XVIII wieku nazywa się to efektem Leidenfrosta, nazwanym na cześć niemieckiego lekarza Johanna Gottloba Leidenfrosta.
Ta wysoka temperatura znacznie przekracza temperaturę wrzenia wody wynoszącą 100 stopni Celsjusza, ponieważ ciepło musi być wystarczająco wysokie, aby natychmiast utworzyła się warstwa pary. Za nisko i kropelki nie unoszą się. Zbyt wysoka, a ciepło odparuje całą kroplę.
Nowe prace na powierzchni
Tradycyjny pomiar efektu Leidenfrosta zakłada, że nagrzewana powierzchnia jest płaska, co powoduje równomierne oddziaływanie ciepła na kropelki wody. Pracując w laboratorium fizyki płynów Virginia Tech, zespół Chenga znalazł sposób na obniżenie punktu początkowego efektu poprzez utworzenie powierzchni pokrytej mikrofilarami.
„Podobnie jak brodawki na liściu lotosu, mikropilary nie tylko ozdabiają powierzchnię”, powiedział Cheng. „Nadają powierzchni nowe właściwości”.
Mikrofilary zaprojektowane przez zespół Chenga mają wysokość 0,08 milimetra, czyli mniej więcej tyle samo, co szerokość ludzkiego włosa. Są one ułożone w regularny wzór w odległości 0,12 milimetra. Kropla wody zawiera ich 100 lub więcej. Te maleńkie słupki wciskają się w kroplę wody, uwalniając ciepło do wnętrza kropli i powodując jej szybsze wrzenie.
W porównaniu z tradycyjnym poglądem, że efekt Leidenfrosta wyzwala się w temperaturze 230 stopni Celsjusza, mikrofilary przypominające układ żeberek wtłaczają do wody więcej ciepła niż płaska powierzchnia. Powoduje to, że mikrokropelki lewitują i wyskakują z powierzchni w ciągu milisekund w niższych temperaturach, ponieważ prędkość wrzenia można kontrolować, zmieniając wysokość filarów.
Obniżenie granic Leidenfrosta
Po podgrzaniu teksturowanej powierzchni zespół odkrył, że temperatura, w której osiągano efekt pływania, była znacznie niższa niż w przypadku powierzchni płaskiej i zaczynała się od 130 stopni Celsjusza.
Jest to nie tylko nowatorskie odkrycie, jeśli chodzi o zrozumienie efektu Leidenfrosta, ale także przekroczenie wcześniej wyobrażonych ograniczeń. Badanie przeprowadzone w 2021 roku na Uniwersytecie Emory wykazało, że właściwości wody w rzeczywistości spowodowały zanik efektu Leidenfrosta, gdy temperatura podgrzewanej powierzchni spadła do 140 stopni. Dzięki mikrofilarom stworzonym przez zespół Chenga efekt utrzymuje się nawet przy temperaturze 10 stopni poniżej tego poziomu.
„Myśleliśmy, że mikrofilary zmienią zachowanie tego dobrze znanego zjawiska, ale nasze wyniki przerosły nawet naszą wyobraźnię” – powiedział Cheng. „Obserwowane interakcje pęcherzyków i kropelek są wielkim odkryciem w zakresie przenoszenia ciepła wrzenia”.
Efekt Leidenfrosta to coś więcej niż intrygujące zjawisko do obserwacji, to także krytyczny punkt w wymianie ciepła. Kiedy woda wrze, najskuteczniej usuwa ciepło z powierzchni. W zastosowaniach takich jak chłodzenie maszyn oznacza to, że dostosowanie gorącej powierzchni do podejścia teksturowanego przedstawionego przez zespół Chenga powoduje szybsze odprowadzanie ciepła, zmniejszając ryzyko uszkodzeń spowodowanych nadmiernym nagrzaniem maszyny.
„Nasze badania mogą zapobiec katastrofom, takim jak eksplozje oparów, które stanowią poważne zagrożenie dla przemysłowych urządzeń do wymiany ciepła” – powiedział Huang. „Wybuchy par mają miejsce, gdy pęcherzyki pary w cieczy szybko się rozszerzają ze względu na obecność w pobliżu intensywnego źródła ciepła. Jednym z przykładów sytuacji, w których to ryzyko jest szczególnie istotne, są elektrownie jądrowe, gdzie struktura powierzchni wymienników ciepła może wpływać na wzrost pęcherzyków pary i potencjalnie wywołać takie eksplozje. Poprzez teoretyczne badania zawarte w artykule badamy, jak struktura powierzchni wpływa na sposób wzrostu pęcherzyków pary, dostarczając cennych informacji na temat kontrolowania i łagodzenia ryzyka eksplozji oparów.
Kolejnym wyzwaniem, którym zajął się zespół, są zanieczyszczenia, które płyny pozostawiają w fakturze chropowatych powierzchni, co stanowi wyzwanie dla samooczyszczania. W warunkach czyszczenia natryskowego lub płukania ani konwencjonalny Leidenfrost, ani zimne kropelki w temperaturze pokojowej nie są w stanie w pełni wyeliminować osadzonych cząstek z chropowatości powierzchni. Stosując strategię Chenga, wytwarzanie pęcherzyków pary jest w stanie usunąć te cząstki z chropowatości powierzchni i zawiesić je w kropli. Oznacza to, że wrzące pęcherzyki mogą zarówno odprowadzać ciepło, jak i zanieczyszczenia z powierzchni.