Фізика
Фізика

Гаряча масна поверхня змусила воду пробігти 10 сантиметрів за секунду

Кинута на нагріту масляну поверхню крапля води пробігла у сто разів швидше, ніж зробила би це на металі. У своїх експериментах американські фізики кидали краплі води шириною в пару міліметрів на нагріті тверді поверхні, покриті тонкими олійними плівками, і фіксували рух за допомогою високошвидкісної камери. Виявилося, що крапля викидає пар тільки з одного свого боку, що і змушує її тікати зі швидкістю до десяти сантиметрів на секунду. Про те, як вчені змушували краплі бігати, вони написали в Physical Review Letters.

Victor Julio Leon & Kripa K. Varanasi / Physical Review Letters, 2021

Victor Julio Leon & Kripa K. Varanasi / Physical Review Letters, 2021

Навіщо фізикам бігаючі краплі?

Ви помічали, що вода не любить взаємодіяти з оліями та на сильно розпеченій сковороді радше почне «ковзати» по поверхні металу і випаровуватися довше. Це явище називається ефектом Ляйденфроста, коли рідина в контакті з тілом, що має температуру значно вищу за точку кипіння цієї рідини, створює ізолюючий шар пари, який запобігає швидкому викіпанню рідини. Нижній шар краплі миттєво перетворюється на пару, яка через свою погану теплопровідність починає ізолювати рідину. Незважаючи на те, що ефект Ляйденфроста відомий більше двохсот років, фізики досі продовжують його досліджувати. Наприклад, чи можна контролювати рух крапель? Або чи можливо якось прискорити їх? Такі ефекти вчені планують використовувати для мікрофлюідних пристроїв, систем теплопередачі, «лабораторій на кристалі», інтелектуальних покриттів і інших, пов'язаних з рідинами систем. Саморух крапель вчені намагаються ініціювати різними способами: використанням градієнтів температури, поверхневого натягу або електричних полів. Але з огляду на те, що так рух крапель не дуже швидкий (до міліметра на секунду), ефект Ляйденфроста став би у нагоді, бо сам по собі мінімізує тертя крапель. Фізикам з Массачусестського технологічного інституту, Віктору Хуліо Леону (Victor Julio Leon) та Кріпа Варанасі (Kripa K. Varanasi) вдалося побачити, як на відміну від попередніх досліджень, краплі на масній поверхні почали рухатися між точкою Ляйденфроста та точкою кипіння. Причому це вперше, за їхніми словами, коли явище саморуху виникло в результаті асиметричного викиду пари, опосередкованого складними явищами перенесення, змочування і фазового переходу, що раніше не вивчалися.

Victor Julio Leon & Kripa K. Varanasi / Physical Review Letters, 2021

Victor Julio Leon & Kripa K. Varanasi / Physical Review Letters, 2021

Як побігала крапля?

У своїх експериментах Леон і Варанасі кидали краплі води шириною в пару міліметрів на нагріті до 180 градусів Цельсію тверді кремнієвій поверхні, покриті тонкими олійними плівками з в'язкістю від 97 до 970 міліпаскалів на секунду. Одразу після осадження краплі почали рухатися у випадковому напрямку, що вчені записували на високошвидкісну камеру зі швидкістю сто тисяч кадрів на секунду. З відеозапису фізики побачили, що коли кожна крапля води потрапляє в гарячу олію, бульбашки пари починають формуватися в одній точці на межі поділу крапля-масло, а потім виходять з краплі. Це на їхню думку, і стало рушійним механізмом. Причому пара формувалася з одного боку краплі, куди крапля і починала рухатися. Також краплі залишалися в контакті з поверхнею масла, що, за їхніми словами, допомагало парі викидатися в одному напрямку і сприяло збільшенню швидкості крапель. Тобто краплі, що стикаються з нагрітими олійними плівками, рухаються швидше, ніж ті, що потрапили під дію ефекту Ляйденфроста і досягають швидкості до 16 сантиметрів на секунду після нагрівання і прискорення. Так експеримент демонструє, що олія пригнічує ефект Ляйденфроста, а чи переходить крапля в цей стан, чи рухається вперед, імовірно, визначається динамікою змочування краплі маслом. На це вказало і зниження швидкості або взагалі відсутність руху за підвищення температури: краплі доходили до точки Ляйденфроста і замість того, щоб залишатися в контакті з масляною плівкою і рухатися, бульбашки пари у них не накопичувалися та краплі просто вибухали.

Що змусило краплю бігти?

Щоб визначити рушійний механізм, який змусив краплю так поводитися, вчені дослідили, що відбувається на дні краплі. Так після початкової стадії нагріву, зароджується перша парова бульбашка і викидається назовні, що приводить до зміщення краплі в протилежному напрямку. За відсутності гравітаційного зсуву зародження перших кількох бульбашок носить випадковий характер і, на думку дослідників, визначає напрямок руху. За відсутності гравітаційного зсуву зародження перших кількох бульбашок носить випадковий характер і, на думку дослідників, визначає напрямок руху. Викид пари викликає сильні збурення на кордоні розділу олія-вода, сприяючи тривалому зародженню бульбашок в тому ж місці і безперервним асиметричним викидам пари. Асиметричність викиду пари, що спостерігається в експериментах, передбачає, що сила, яка веде рух краплі, визначається теплом, переданим від масляної плівки до нижньої частини краплі води на межі розподілу олія-вода. Таким чином можна підтвердити висновок, що плавний рух краплі - результат безперервного викиду бульбашок.

Фізики наголошують, що швидкості крапель є продуктом значної взаємодії, здавалося б, несумісних явищ тимчасового масштабу через явища кипіння, що відбуваються у мікросекундних тимчасових масштабах. Модель була підтверджена експериментально в широкому діапазоні температур, вязкостей, радіусів крапель і текстур поверхні. На їхню думку, ці ідеї можна широко застосувати до інших систем, які здатні виділяти пару. Подальші дослідження формування початкової асиметрії бульбашок пари і динаміки крапель, за словами дослідників, можуть пролити світло на те, як контролювати точку Ляйденфростана тонких плівках рідини і напрямок саморуху крапель на поверхні.

Як ми вже згадували, вивчення поведінки і способи керування саме краплями води допомагають вченим не лише досліджувати мікрогідродинаміку, яку вже активно використовують у нанотехнологіях, а і створювати новітні поверхні, здатні до самоочищення. Так Nauka.ua писала про солоні краплі, яких навчили відрощувати ніжки та самостійно тікати з поверхні. Або про краплі олії, які змогли кілька разів відростити собі хвостики, перезарядитися, і проплисти у воді кілька циклів. Вони до речі допоможуть у дослідженнях біологів. Також краплі води пускали силіконовими поверхнями з різними візерунками і так змусили ті рухатися не вниз, а вгору.

точкою Ляйденфроста
початок сталого пароутворення з появою плівки газу навколо рідини