Эффект Лейденфроста в действии (4 фото + 2 видео + 1 гиф)

Пока температура поверхности меньше 100°C, время существования объекта неуклонно уменьшается и достигает 200 мс в предельной точке (точке кипения воды). При этой температуре капля непосредственно соприкасается с подложкой и закипает. Когда температура возрастает со 100 до 150°C, срок жизни капли за счет образования изолирующего слоя пара быстро растет. Максимальное время жизни капли определяет так называемуютемпературу Лейденфроста, индивидуальную для каждой жидкости. Также эта температура зависит от степени чистоты жидкости, качества поверхности, структуры и других факторов вплоть до того, каким образом капля была положена на подложку. В данном конкретном примере с водой она составляет около 150°C.Исследованию эффекта Лейденфроста посвящено большое количество статей, однако то, что капли под его воздействием в состоянии направлено перемещаться, стало известно совсем недавно, из уже упомянутой выше статьи в Physical Review Letters.Сразу отметим ключевой момент пионерского исследования: наблюдаемое перемещение капли фреона R-134a происходило лишь на специально приготовленной подложке (как на рис. 3) с периодической несимметрично рифленой структурой. Нестационарное поведение объекта первооткрыватели явления ошибочно связали с тем, что подложка по-разному деформирует каплю и создает неодинаковое лапласовское давление на ее краях и в той ее части, которая расположена на зубце. Образовавшийся таким образом градиент давления Лапласа заставляет каплю смещаться.Капля этанола (температура Лейденфроста 200°C), находящаяся на горячей латунной подложке (температура 350°C), под действием эффекта Лейденфроста двигается в направлении, указанномстрелкой в верхнем правом углу. Радиус капли в экваториальной плоскости равен приблизительно 3 мм. Латунь имеет рифленую поверхность, высота зубцов составляет 300 мкм, расстояние между ними 1,5 мм.Ученые из Политехнической школы и Лаборатории физики и механики неоднородных сред в Париже, экспериментируя с каплями этанола (рис. 3), решили более подробно исследовать описанное выше явление и установить истинный механизм возникновения движения капель. Результаты своих изысканий они представили в статье Leidenfrost on a ratchet в журнале Nature Physics.Для начала ученые сформулировали основные причины, которые могут индуцировать перемещение:1) прежде всего, это уже описанная неоднородность радиуса кривизны капли, порождающая градиент лапласовского давления;2) внутри капли могут существовать процессы переноса вещества от задней части к передней (волны), генерирующие движение капли;3) спонтанные колебания капли из-за неоднородной толщины прослойки пара способны трансформироваться в кинетическую энергию направленного движения;4) эффект Марангони: коэффициент поверхностного натяжения обладает температурной зависимостью, а потому возможная неравномерность температуры может спровоцировать его неоднородное распределение, а значит, и смещение капли (см. статью Optical levitation and transport of microdroplets: Proof of concept).5) пока поверхность, на которой находится капля Лейденфроста, гладкая, пар равномерно и изотропно (одинаково во все стороны) вытекает из-под капли. Если же поверхность рифленая (как, например, на рис. 3), течение пара становится анизотропным, приобретая определенное направление. Изолирующая прослойка становится как бы двигателем на паровой тяге, инициирующим движение капли, а капля — чем-то вроде корабля на воздушной подушке.