萊頓弗羅斯特液滴的最終命運：沸騰的液滴會跳舞_風聞

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原創編譯／雷鑫宇 責編／張夢

研究人員利用高速攝像機和高靈敏麥克風揭示了萊頓弗羅斯特液滴的最終命運。

萊頓弗羅斯特液滴的最終命運會是什麼？

在熱鍋上灑一些水，你會聽到水滴發出的“嘶嘶聲”，並發現水滴很快就蒸發掉了。但是如果將温度進一步提高，你會觀察到一些不同的現象，即萊頓弗羅斯特效應：液滴保持完整，在表面上肆意“跳舞”和“滑動”。

phys.org網站5月6日報道，《科學進展》雜誌發文稱，美國布朗大學和中國清華大學等機構的研究人員已經弄清楚了萊頓弗羅斯特液滴的“最終命運”。小尺寸的萊頓弗羅斯特液滴會從熾熱的表面迅速消失，而較大的液滴則會猛烈“爆炸”，發出“噼啪聲”。

萊頓弗羅斯特液滴最終是爆炸還是消失，與它的原始尺寸和固體污染物含量有關。該成果除了可以解釋Johann Gottlob Leidenfrost在1756年記錄到的奇特“噼啪聲”之外，還可用於冷卻系統或沉積設備的設計。

布朗大學博士後研究員、論文作者Varghese Mathai説：“我們的研究回答了一個有250年曆史的問題。這是一個基本問題的答案。”

萊頓弗羅斯特反應裝置。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

自萊頓弗羅斯特效應被發現以來，科學家們已經逐漸弄清了萊頓弗羅斯特液滴的懸浮原理。當液滴接觸到遠超其沸點的表面時，液滴下方會形成“氣墊”，氣墊對液滴起着支撐和隔離的作用，使液滴的蒸發速度減緩，並能四處“滑行”。

對水而言，表面温度超過380華氏度就會出現萊頓弗羅斯特效應，不同種類的液滴產生萊頓弗羅斯特效應的温度是有差異的。

温度對萊頓弗羅斯特效應有明顯影響。

數年以前，另一個研究團隊曾觀察到了微小萊頓弗羅斯特液滴的結局：液滴尺寸穩步縮小，最後突然從表面“彈射”出去消失了。這並不能解釋研究人員聽到的“噼啪聲”。

在Mathai等的研究中，他們設置了高速攝像機和高靈敏麥克風來捕捉乙醇的萊頓弗羅斯特效應。他們發現，如果乙醇液滴的原始尺寸較小，其行為與之前的研究一致——收縮，然後突然消失。

而當液滴的初始直徑大於等於1毫米時，情況就大不相同了。雖然液滴也會逐漸縮小，但它們不會突然“飛走”。相反，液滴會穩定下沉至熱表面，並最終與其接觸，繼而發生“爆炸”，發出“噼啪聲”。為何較大的液滴與小液滴的情況顯著不同呢？研究人員認為，這是液滴包含的雜質的問題。

世界上幾乎不存在完全純淨的液體。液滴中包含有塵埃等微小的顆粒雜質。隨着液滴收縮，雜質的濃度提高了。就較大的液滴而言，其雜質的絕對值較高，濃度也較高，以至於雜質甚至會在液滴表面聚集成固體外殼。外殼切斷了形成氣墊的蒸汽供應，導致液滴在下沉過程中，一旦接觸到熱表面就會發生“爆炸”。

沸騰的液滴會跳舞。

為了驗證這一觀點，研究人員分析了用不同量二氧化鈦污染的液滴的萊頓弗羅斯特效應。他們發現，二氧化鈦濃度增加，液滴爆炸時的平均尺寸也隨之增大。

實驗過程中，研究人員還對爆炸過程中的雜質外殼進行了成像。因此，研究人員認為即便是極少量的雜質，也會對萊頓弗羅斯特液滴的命運產生關鍵作用。這一結論的現實意義在於，萊頓弗羅斯特液滴的運動是可控的。這可以用於微電子製造過程中懸浮粒子載體和熱交換器的設計。

Mathai説：“雜質會改變萊頓弗羅斯特液滴的命運。通過控制雜質量，我們就能調控液滴的運動方向和熱傳遞時間了。”

液體的純淨度也會影響萊頓弗羅斯特效應。

據介紹，Mathai等的研究對開發高純液體的測試方法也有借鑑意義。

來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文鏈接：

https://phys.org/news/2019-05-reveals-fate-levitating-leidenfrost-droplets.html

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