Мексикансько-французькій групі фізиків вдалося описати, як рідина здатна відтягувати не лише своє випаровування на розпеченій поверхні завдяки ефекту Ляйденфроста, а і злиття з іншими краплями, якщо вони складаються з різних рідин. Між краплями утворюється шар пари, що змушує їх як «левітувати» над поверхнею, так і відскакувати одна від одної протягом секунд або хвилин, перш ніж вони остаточно зіллються. Такий потрійний паровий самозахист рідини вчені описали у Physical Review Letter та пропонують використовувати для мікрофлюїдних пристроїв, розділяючи таким чином рідини.
Крапелька етанолу відскакує від краплі води перш ніж злитися. F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Якому ефекту піддалися краплі?
Крапля будь-якої рідини, якщо її помістити на поверхню, гарячішу за її температуру кипіння, здатна відкласти своє випаровування, обернувшись у парову оболонку, яка дозволить їй ще деякий час ковзати по поверхні. Це цікаве явище описав ще 1756 року німецький вчений Йоган Ляйденфрост у своєму трактаті «Про деякі властивості звичайної води», але ви й самі можете його поспостерігати. Збризніть трохи води на розпечену сковороду — краплі почнуть ковзати нею, захищені від швидкого випаровування паровою подушкою, яка дозволяє їм ніби левітувати над сковородою, зменшуючи тертя.
Цей ефект універсальний для всіх рідин і різниця лише в тому, якою є температура кипіння для них. Наприклад, краплі води, щоб потрапити під дію ефекту Ляйденфроста на алюмінієвій пластині, знадобиться температура у 160-200 градусів Цельсія, а от краплі етанолу у нагрітій масляній ванні потрібна різниця температур всього кілька градусів.
Навіщо це фізикам?
Не зважаючи на те, що ефект Ляйденфроста відомий більше двохсот років, фізики досі продовжують його досліджувати. І не лише з теоретичної сторони, де їх цікавить критична температура для появи самого ефекту, або можливість контролювати рух крапель, а і з практичного боку, де він знадобиться для мікрофлюідних пристроїв, систем теплопередачі, «лабораторій на кристалі», інтелектуальних покриттів і інших, пов'язаних з рідинами систем.
Останнім часом з'явилася велика кількість робіт з динаміки рідин, пов'язаної з цим ефектом – ним навчаються керувати. Наприклад, нещодавно вченим вдалося змусити краплі періодично підстрибувати – парова подушка стала своєрідним батутом, порушуючи при цьому традиційну для цього ефекту рівновагу. Або, наприклад, матеріалознавці домоглися від крапель постійного обертання під дією цього ефекту, яке навіть запропонували використовувати як тепломеханічний двигун у замкненому термодинамічному циклі.
У цій роботі фізики університету Пуебла, що у Мексиці, та університету Пуатьє, що у Франції, вирішили спробувати використати ефект Ляйденфроста, щоб одночасно маніпулювати різними краплями. Вони досліджували динаміку зіткнень і злиттів двох крапель із різних рідин, знімали їх на камеру зі швидкістю 60 кадрів на секунду і нарешті представили механізм, який назвали потрійним ефектом Ляйденфроста, що стане у пригоді у мікрофлюїдиці.
Власне «потрійність» ефекту Ляйденфроста лежить у тому, що краплі набувають одразу три парових шари: два захищають їх від випаровування (нижні L1, L2), а додатковий третій виникає при зіткненні і не дає краплям злитися. F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Як штовхаються краплі?
Коли дві краплі однієї і тієї ж рідини стикаються, вони зазвичай зливаються, оскільки під час зіткнення газова плівка між ними осушується. І фізики знають багато різних способів цих зіткнень за кімнатної температури, які залежать від числа Вебера (відношення енергії зіткнення до енергії поверхневого натягу), від того, як краплі уникають лобового зіткнення, і звичайно від співвідношення їхніх розмірів. Динаміка також залежить від змішування рідин. Наприклад, крапля води зливається з краплею етанолу, але може відбитися від краплі олії, а дві мікрометричні крапельки олії можуть об'єднуватися, відскакувати або переміщатися завдяки перетворенню енергії поверхневого натягу на механічну.
Але, оскільки ефект Ляйденфроста опосередкований саме температурами кипіння, результат зіткнення крапель (пряме злиття або відскік) залежить від різниці температур кипіння. Тому у своїх експериментах вчені зосередилися на зіткненні двох великих крапель на гарячій увігнутій поверхні.
Щоб дві краплі злилися, вони мають зіткнутися. Якщо час зіткнення дуже короткий, тонкий шар газу між краплями повністю не осушується і запобігає їхньому злиттю. Втім, цей механізм не пояснює, чому дві краплі однієї і тієї ж рідини під впливом ефекту Ляйденфроста зливаються, у той час як краплі різних рідин, що також змішуються, — ні. Тобто він, виникаючи внизу кожної краплі, неоднаково впливає на результат зіткнення, а отже це потребує новго механізму.
F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Як добитися потрійного ефекту Ляйденфроста?
Так, на полірованій алюмінієвій підкладці за допомогою мікропіпеток по центру розмістили 11 малов'язких рідин з різними фізико-хімічними властивостями. Для них вирахували температуру кипіння і підібрали так звану температуру Ляйденфроста, при якій краплі набували необхідну для «левітації» парову оболонку.
Після вирахування температури Ляйденфроста для кожної рідини, платформу нагріли до 250 градусів Цельсія і почали зіштовхувати краплі. Зіткнення проходило приблизно зі швидкістю 22 метри на секунду і, залежно від типу рідини, супроводжувалося або прямим злиттям відразу після, або відскоками.
Коли краплі етиленгліколю і хлороформу зливаються, крапля хлороформу вибухає, оскільки її температура кипіння набагато нижча, ніж у етиленгліколю. F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Відразу, протягом кількох мілісекунд, зливалися краплі з однієї рідини (наприклад, вода-вода) або рідини з аналогічними властивостями (наприклад, етанол-ізопропанол). А краплі з відмінностями у властивостях (наприклад, вода-етанол або вода-ацетонітрил) продовжують підстрибувати протягом декількох секунд або навіть хвилин, поки не досягнуть критичного розміру, щоб остаточно злитися.
Цікаво, що майже всі рідини послідовно відскакують від води або диметилформаміду, а спирти демонструють пряме злиття між собою. Але оскільки робота з усіма перерахованими комбінаціями складна через велику різноманітність властивостей, вчені зупинилися на експериментах з краплею з одного мілілітра води, що взаємодіє з краплею з 250 мікролітрів вже інших сполук.
Так, знімаючи зіткнення на швидкісну камеру, вченим вдалося відобразити альтернативний механізм поведінки нагрітих крапель при зіткненні одна з одною. Коли дві краплі рідини на одній поверхні мають різні точки кипіння, гарячіша рідина також може нагрівати край холоднішої рідини, створюючи додатковий шар Ляйденфроста, що і змушує краплі відскакувати один від одного.
Етиленгліколь (прозорий) і хлороформ (синій) мають настільки різні температури кипіння, що при зіткненні крапель видно шар пари між краплями. F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Коли рідини мали різні точки кипіння, вони відскакували одна від одної, поки холодніша крапля не ставала занадто маленькою, щоб протистояти тяжінню до другої. Наприклад, оскільки температура кипіння для етанолу набагато менша, ніж для води, крапля води рано чи пізно його притягне. В інших випадках, коли різниця в точках кипіння занадто мала для ефекту Ляйденфроста між краплями, вони зливаються без відскоку.
Причому вчені впевнені, що справа саме у додатковій паровій подушці, що виникає у крапель при зіткненні. Адже якби на відскоки впливав би нижній шар пари, появу якого спровокувала нагріта поверхня, дві краплі однієї й тієї ж рідини також відскочили б. Також експерименти з барвниками показали, що масопереносення між краплями не відбувається при зіткненнях, що ще раз підтвердило вплив саме ефекту Ляйденфроста.
F. Pacheco-Vázquez et al. / Physical Review Letter, 2021
Вивчення поведінки і способи керування саме краплями води допомагають вченим досліджувати мікрогідродинаміку, яку використовують у нанотехнологіях, а також створювати поверхні з новими властивостями чи краще керувати їхньою поведінкою з рідинами. Ми вже розповідали, як під дією ефекту Ляйденфроста гаряча масна поверхня змусила воду пробігти зі швидкістю майже у десять сантиметрів на секунду, що допоможе в технологіях самоочищення. А також, як у пошуках критичної температури Ляйденфроста фізики з'ясували, що краплі здатні утворювати собі парову оболонку навіть за зниження температури на сто градусів Цельсію, і це не пов'язано ні з характеристиками рідини, ні з властивостями поверхні.