Якщо кинути жменю крапельок на дуже гарячу сковороду, ви зможете спостерігати, як вони стрибають і танцюють. Ці краплі, вірите чи ні, насправді парять. Якщо поверхня досить гаряча, тепло випаровує найближчу до неї сторону краплі, створюючи газову подушку, на якій ширяє решта краплі. Це відоме як ефект Лейденфроста на честь німецького лікаря Йоганна Готлоба Лейденфроста, який задокументував це явище у 18 столітті.
Тепер команда вчених розробила спосіб знизити температуру, при якій відбувається цей маленький танець води. Поверхня з мікроскопічною текстурою передає тепло до крапель ефективніше, і це відкриття має значення для застосувань теплопередачі, таких як охолодження промислового обладнання та ядерних градирень.
«Ми думали, що мікроколони змінять поведінку цього добре відомого явища, але наші результати кинули виклик навіть нашій власній уяві», — каже інженер-механік Джінгтао Чен з Політехнічного інституту Вірджинії та державного університету.
«Спостережувана взаємодія бульбашок і крапель є великим відкриттям для передачі тепла при кипінні».
Ми знаємо про ефект Лейденфроста вже деякий час, і його параметри добре зрозумілі. Щоб це сталося, потрібно достатньо тепла, щоб вода миттєво утворювала пару при контакті з гарячою плитою, але не так багато тепла, щоб уся крапля води миттєво випарувалася.
Причина, чому вода не випаровується повністю при температурах Лейденфроста, полягає в тому, що значна частина енергії від гарячої поверхні відводиться у вигляді пари, а не потрапляє в решту краплі.
Поверхня, розроблена Ченгом і його колегами, складається з сотень крихітних стовпчиків висотою приблизно 0,08 міліметра, приблизно з людську волосину. Вони розташовані у вигляді сітки на відстані приблизно 0,12 міліметра. При розміщенні на поверхні крапля води покриває близько 100 стовпів.
Коли вода сидить на поверхні, стовпи тиснуть на краплю води, надаючи більше тепла внутрішньому простору та дозволяючи воді кипіти швидше. Це означає, що ефект Лейденфроста можна спостерігати протягом мілісекунд і при набагато нижчих температурах, ніж на пласкій поверхні, як-от плита або сковорода.
Насправді команда змогла викликати левітацію Лейденфроста при 130 градусах Цельсія, що набагато нижче, ніж 230 градусів Цельсія, які вони оцінили як типові для ефекту в цих умовах.
Зараз вода є чудовим середовищем для охолодження. Вода кипить і випаровується приблизно при 100 градусах за Цельсієм (дещо змінюється залежно від висоти). Рідка вода не може бути гарячішою за цю температуру кипіння, оскільки вона перетворюється на пару. Ось чому ця людина змогла зварити суп у поліетиленовому пакеті на вогні: тепло передається воді, яка не може перевищувати температуру плавлення пластику.
Дослідники кажуть, що, отже, поверхня мікроколона пропонує більш ефективний механізм теплопередачі, який може бути набагато безпечнішим, ніж технології водяного охолодження, які зараз використовуються, допомагаючи запобігти небезпечним нещасним випадкам, таким як вибухи пари.
«Вибухи пари відбуваються, коли бульбашки пари в рідині швидко розширюються через [наявність] інтенсивного джерела тепла поблизу. Одним із прикладів того, де цей ризик є особливо доречним, є атомні станції, де структура поверхні теплообмінників може впливати на бульбашки пари. зростання і потенційно може спровокувати такі вибухи», – каже інженер Вен Хуанг з Технічного університету Вірджинії.
«Завдяки нашому теоретичному дослідженню в статті ми досліджуємо, як поверхнева структура впливає на режим росту бульбашок пари, надаючи цінну інформацію про контроль і пом’якшення ризику вибухів пари». Дослідження команди було опубліковано в Nature Physics.