Как ученые раскрыли секрет поведения воды на масляных поверхностях

Новости МирТесен

На нагретой и смазанной маслом сковороде капля воды моментально закипает и перемещается, образуя реактивную струю пара.

Такое скольжение влаги по горячей поверхности – распространенное явление, которое давно стало объектом научных исследований. Оно связано с эффектом Лейденфроста: при температуре поверхности, превышающей точку кипения жидкости, на ее поверхности мгновенно формируется паровой слой. Этот слой замедляет испарение самой капли и уменьшает трение между ней и поверхностью, что позволяет ей скользить по ней, подобно движению по льду. Интересно, что эффект Лейденфроста проявляетсяэффект Лейденфроста находит отражение даже в отдаленных сферах, например, при формировании араниеформ – необычных геологических структур, обнаруженных на поверхности Марса.

Тем не менее, если поверхность сковороды имеет масляное покрытие, точка кипения которого значительно превышает обычную температуру, то паровой подушки между ними не возникает. При этом капли перемещаются по такой обработанной поверхности гораздо проще, чем по необработанной. Экспериментальные данные демонстрируют, что их скорость может увеличиться в десять и даже сотню раз. Подобное явление было объяснено лишь недавно. Подробности этого открытия представлены в статьепубликации Крипы Варанаси (Kripa Varanasi) и его соавторов из Массачусетского технологического института (MIT), размещенной в журнале Physical Review Letters.

Исследователи использовали микроскопию и высокоскоростную видеосъемку, позволяющую фиксировать до ста тысяч кадров за секунду. Стало известно, что при определенных температурах, значениях вязкости и толщине масляного слоя масло формирует тончайший слой на поверхности капли. Температура кипения этого слоя существенно выше температуры воды. Поэтому, когда этот слой начинает испаряться — преимущественно с нижней части, соприкасающейся с нагретой поверхностью – под ним возникают микроскопические пузырьки.

Неровности на поверхности уменьшают адгезию капли. Кроме того, паровые полости препятствуют теплопередаче и формируют температурные градиенты, провоцирующие вибрацию капли и способствующие ее перемещению. Внутри этих пузырьков давление быстро увеличивается до тех пор, пока масляная пленка не разрушается. Высвобождающийся пар создает реактивную силу, толкающую каплю вперед, подобно воздуху, вырывающемуся из продырявленного шара.

Авторы рассчитывают, что выявленный эффект будет использован в микрофлюидике, что позволит увеличить скорость перемещения микроскопических капель жидкости. Процесс кипения воды и формирование пузырьков пара происходят в конкретных зонах капли, которые выступают в роли центров нуклеации. Ученые полагают, вскоре исследователи смогут овладеть управлением этими центрами и, как следствие, точно контролировать перемещение кипящих капель на масляной поверхности.