Если вы бросите горсть капель на очень горячую сковороду, вы сможете наблюдать, как они кружатся и танцуют. Хотите верьте, хотите нет, но эти капли на самом деле левитируют. Если поверхность достаточно горячая, тепло испаряет ближайшую к ней сторону капли, создавая газовую подушку, на которой парит остальная часть капли. Это явление известно как эффект Лейденфроста, в честь немецкого врача Иоганна Готлоба Лейденфроста, который задокументировал это явление в 18 веке. Теперь команда ученых разработала способ снизить температуру, при которой происходит этот маленький танец воды. Поверхность с микроскопической текстурой более эффективно передает тепло капелькам, что имеет большое значение для применения в области теплопередачи, например, для охлаждения промышленного оборудования и ядерных градирен. "Мы думали, что микрополяры изменят поведение этого хорошо известного явления, но наши результаты превзошли даже наше собственное воображение", - говорит инженер-механик Цзинтао Ченг из Политехнического института Вирджинии и Государственного университета. "Наблюдаемые взаимодействия пузырьков и капель являются важным открытием в области теплопередачи при кипении".
Мы уже некоторое время знаем об эффекте Лейденфроста, и его параметры хорошо изучены. Для этого требуется достаточное количество тепла, чтобы вода мгновенно образовывала пар при контакте с горячей плитой, но не настолько большое, чтобы вся капля воды мгновенно испарилась. Причина, по которой вода не испаряется полностью при температурах Лейденфроста, заключается в том, что значительная часть энергии с горячей поверхности отводится в виде пара, вместо того чтобы поступать в остальную часть капли. Поверхность, которую разработали Ченг и его коллеги, состоит из сотен крошечных столбиков высотой около 0,08 миллиметра и толщиной с человеческий волос. Они расположены в виде сетки, разделенной расстоянием примерно в 0,12 миллиметра. При попадании на поверхность капля воды покрывает около 100 столбов. Когда вода оседает на поверхности, стержни вдавливаются в каплю воды, передавая больше тепла внутрь и позволяя воде быстрее закипать. Это означает, что эффект Лейденфроста можно наблюдать в течение миллисекунд и при гораздо более низких температурах, чем при использовании плоской поверхности, такой как плита или сковорода.
На самом деле, команда смогла вызвать левитацию Лейденфроста при температуре 130 градусов по Цельсию, что намного ниже 230 градусов по Цельсию, которые, по их оценкам, были типичными для эффекта в этих условиях. Вода - отличная среда для охлаждения. Температура кипения и испарения воды составляет около 100 градусов по Цельсию (она немного зависит от высоты над уровнем моря). Температура жидкой воды не может быть выше этой точки кипения, поскольку она превращается в пар. Вот почему этот человек смог приготовить суп в пластиковом пакете на огне: тепло передается воде, температура которой не может превышать температуру плавления пластика (примечание: не делайте этого, в пластике содержатся химические вещества, которые вам не нужны в вашем супе). Таким образом, микропиллярная поверхность обеспечивает более эффективный механизм теплопередачи, который, по словам исследователей, может быть намного безопаснее, чем используемые в настоящее время технологии водяного охлаждения, и помогает предотвратить опасные аварии, такие как взрывы паров.
"Паровые взрывы происходят, когда пузырьки пара в жидкости быстро расширяются из-за [присутствия] поблизости интенсивного источника тепла. Одним из примеров того, где этот риск особенно актуален, являются атомные станции, где структура поверхности теплообменников может влиять на рост пузырьков пара и потенциально вызывать такие взрывы", - говорит инженер Венг Хуан из Virginia Tech. "Благодаря нашему теоретическому исследованию, приведенному в статье, мы исследуем, как структура поверхности влияет на режим роста пузырьков пара, что дает ценную информацию о контроле и снижении риска взрывов паров".
