研究揭示了莱登弗罗斯特悬浮液滴的最终命运

在热锅上泼水,你经常会看到水滴发出咝咝的响声,很快就蒸发了。但是如果你真的把温度调高了,发生了一些不同的事情。水滴保持完整,在被称为莱登弗罗斯特效应的表面上跳舞和滑跑。现在,一组研究人员已经详细说明了这些莱登弗罗斯特液滴是如何满足他们的最终命运的。

发表在德赢手机版科学进展,研究小组显示,莱登弗罗斯特的小液滴开始时很小,最终从热表面飞出并消失,当较大的液滴爆炸时,会发出一声“噼啪”的声音。液滴最终是否爆炸或逸出取决于其初始尺寸和固体污染物(环境粉尘或灰尘颗粒)的数量。

除了解释约翰·戈特罗布·莱登弗罗斯特在1756年记录这一现象时所报告的开裂声音外,这一发现可能在未来的设备中被证明是有用的——冷却系统或粒子输送和沉积设备——它们可能利用莱登弗罗斯特效应。

“这回答了250年前的问题,是什么产生了这种开裂的声音,”Varghese Mathai说,布朗大学的博士后研究员和该研究的共同主要作者。“我们在文献中找不到任何先前解释裂纹声源的尝试,所以这是一个基本的问题。”

研究,发表于德赢手机版科学进展,是马太和布朗的合作,清华大学的合著者SijiaLyu和比利时的其他研究人员,中国和荷兰。

自从莱登弗罗斯特在水滴中观察到这种特殊行为以来,科学家们已经搞清楚了悬浮现象是如何发生的。当液滴接触到远超过液体沸点的表面时,水滴下面形成一层蒸汽垫。那个蒸汽垫支撑着水滴的重量。蒸汽还使水滴绝缘,并减缓其蒸发速度,同时使其能够像在魔毯上一样四处滑动。为了水,当它遇到一个超过380华氏度的表面时,就会发生这种情况。这种莱登弗罗斯特温度对其他液体,如油或酒精,是不同的。

几年前,另一个研究小组观察到了莱登弗罗斯特小药水的最终命运,这表明它们的尺寸逐渐缩小,然后突然从表面发射出去消失。但这并不能解释莱登弗罗斯特听到的爆裂声,也没有人做过详细的研究来观察声音的来源。

对于这项新研究,研究人员将摄像头设置为每秒记录40000帧的速度,并安装灵敏的麦克风,以观察和聆听高于莱登弗罗斯特温度的乙醇滴。他们发现,当液滴开始相对较小的时候,他们的行为方式和以前的研究人员观察到的一样——收缩然后逃跑。在某一时刻,当这些液滴变得足够小和轻的时候,它们周围的蒸汽流使它们突然飞到空中,最后消失了。

但当液滴直径大于或等于一毫米时,研究表明,发生了一些非常不同的事情。较大的液滴逐渐缩小,但它们不够小,不能飞出去。相反,较大的液滴稳定地向下面的热表面下沉。最终,液滴与表面接触,在那里它爆炸时发出一个可以听见的裂缝。那么,为什么那些大的液滴不能收缩到足以像那些小的液滴那样飞行呢?那,研究人员说,是污染物的问题。

没有一种液体是绝对纯净的。它们都有微小的颗粒污染物——灰尘和其他影响莱登弗罗斯特过程的颗粒。当液滴收缩时,其中的颗粒污染物浓度增加。这对于那些开始体积更大的水滴尤其如此,因为它们有更高的粒子绝对值。所以对于那些开始大的水滴,研究人员推测,污染物的浓度会变得如此之高,以至于颗粒会沿着液滴的表面堆积成固体外壳。这个外壳切断了下面形成缓冲层的蒸汽供应。因此,水滴向下面的热表面下沉,接触后爆炸。

为了检验这个想法,研究人员观察到了不同程度的二氧化钛微粒污染的液滴。他们发现随着污染物含量的增加,爆炸时液滴的平均尺寸也是如此。这项研究还能够对爆炸碎片中的污染物外壳进行成像。

合在一起,证据表明,即使是微量的污染物也在决定莱登弗罗斯特液滴的命运中起着关键作用。除了解释莱登弗罗斯特首次报道的破裂声外,这项发现还有实际的应用。

最近的研究表明,莱顿霜滴的移动方向是可以控制的。这将使它们在微电子制造过程中成为悬浮粒子载体。在设计用于保持电子元件在特定温度下的热交换器中也可以使用莱登弗罗斯特液滴。

“你可以用这些污染物来改变莱登弗罗斯特液滴的寿命,”马赛说。“所以你可以从原理上知道它会在哪里沉积粒子,或者通过微调污染物的数量来控制热传递持续的时间。”

由于液滴爆炸的大小与其污染物负荷密切相关,因此研究结果有可能用于开发新的水和其他液体纯度测试方法。vwin手机版

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