Stänk lite vatten på en het stekpanna, och du kommer ofta att se dropparna fräsa och snabbt avdunsta. Men om du verkligen skruvar upp värmen, något annat händer. Dropparna förblir intakta, dansar och skitrar över ytan i vad som kallas Leidenfrost-effekten. Nu har ett team av forskare detaljerat hur dessa Leidenfrost-droppar möter sitt yttersta öde.

I en tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , Teamet visar att Leidenfrost-droppar som börjar små så småningom raketar bort från den heta ytan och försvinner, medan större droppar exploderar våldsamt med en hörbar "spricka". Om droppen till slut exploderar eller försvinner beror på dess ursprungliga storlek och mängden fasta föroreningar – omgivande damm eller smutspartiklar – som droppen innehåller.

Förutom att förklara det knäckande ljud som Johann Gottlob Leidenfrost rapporterade att han hörde 1756 när han dokumenterade fenomenet, fynden kan visa sig vara användbara i framtida anordningar - kylsystem eller partikeltransport- och avsättningsanordningar - som kan använda sig av Leidenfrost-effekten.

"Detta svarar på den 250 år gamla frågan om vad som producerar detta knäckande ljud, sa Varghese Mathai, en postdoktor vid Brown University och studiens medförfattare. "Vi kunde inte hitta några tidigare försök i litteraturen att förklara källan till sprickljudet, så det är en grundläggande fråga besvarad."

Forskningen, publicerad i Vetenskapens framsteg , var ett samarbete mellan Mathai på Brown, medförfattare Sijia Lyu från Tsinghua University och andra forskare från Belgien, Kina och Nederländerna.

Under åren sedan Leidenfrost observerade detta märkliga beteende i vattendroppar, forskare har listat ut fysiken kring hur levitationsfenomenet uppstår. När en vätskedroppe kommer i kontakt med en yta som ligger långt över vätskans kokpunkt, en kudde av ånga bildas under droppen. Den ångkudden stöder droppens vikt. Ångan isolerar också droppen och bromsar dess avdunstning samtidigt som den kan glida runt som om den vore på en magisk matta. För vatten, detta händer när den möter en yta som överstiger cirka 380 grader Fahrenheit. Denna Leidenfrost-temperatur varierar för andra vätskor som oljor eller alkohol.

För några år sedan, ett annat forskarlag observerade det yttersta ödet för små Leidenfrost-droppar, visar att de stadigt krymper i storlek och sedan plötsligt kastar sig från ytan och försvinner. Men det förklarade inte det knäckande ljudet som Leidenfrost hörde, och ingen hade gjort en detaljerad studie för att se var det ljudet kom ifrån.

För denna nya studie, forskarna satte upp kameror med inspelningshastigheter upp till 40, 000 bilder per sekund och känsliga mikrofoner för att observera och lyssna på individuella droppar etanol över deras Leidenfrost-temperaturer. De fann att när dropparna började relativt små, de betedde sig på det sätt som de tidigare forskarna hade observerat – krympte och flydde sedan. Vid en viss tidpunkt, när dessa droppar blir tillräckligt små och lätta, ångflödet runt dem gör att de plötsligt slänger upp i luften där de slutligen försvinner.

Men när droppar börjar en millimeter i diameter eller större, studien visade, något helt annat händer. De större dropparna krymper stadigt, men de blir inte tillräckligt små för att flyga iväg. Istället, de större dropparna sjunker stadigt mot den varma ytan nedanför. Så småningom kommer droppen i kontakt med ytan, där den exploderar med en hörbar spricka. Så varför krymper inte de större dropparna tillräckligt för att flyga som de droppar som börjar mindre? Den där, forskarna säger, är en fråga om föroreningar.

Ingen vätska är någonsin helt ren. De har alla små partikelföroreningar - damm och andra partiklar som påverkar Leidenfrost-processen. När dropparna krymper, koncentrationen av partikelföroreningar i dem ökar. Det gäller särskilt för droppar som börjar större eftersom de har ett högre absolut partiklar till att börja med. Så för droppar som börjar stora, forskarna anade, koncentrationen av föroreningar kan bli så hög att partiklarna ackumuleras till ett fast skal längs droppens yta. Det skalet stänger av tillförseln av ånga som bildar kudden under. Som ett resultat, droppen sjunker mot den heta ytan under och exploderar vid kontakt.

För att testa denna idé, forskarna observerade vätskedroppar som hade olika nivåer av kontaminering med mikropartiklar av titandioxid. De fann att när föroreningsnivån ökade, det gjorde också den genomsnittliga storleken på dropparna vid explosionsögonblicket. Forskningen kunde också avbilda föroreningsskalen bland explosionsskräpet.

Tagen tillsammans, bevisen tyder på att även små mängder av föroreningar spelar en nyckelroll för att bestämma ödet för Leidenfrost-droppar. Fyndet kan ha praktiska tillämpningar utöver att bara förklara det knäckande ljudet som Leidenfrost först rapporterade.

Ny forskning har visat att riktningen i vilken Leidenfrost droppar rör sig kan kontrolleras. Det kan göra dem användbara som svävande partikelbärare i mikroelektroniska tillverkningsprocesser. Det finns också möjlighet att använda Leidenfrost-droppar i värmeväxlare som är designade för att hålla elektroniska komponenter vid specifika temperaturer.

"Du kan använda dessa föroreningar för att ändra livslängden för en Leidenfrost-droppe, " Sa Mathai. "Så du kan i princip ta reda på var det kommer att deponera partiklarna, eller kontrollera hur länge värmeöverföringen pågår genom att finjustera mängden föroreningar."

Forskningsresultaten skulle potentiellt kunna användas för att utveckla nya renhetstestmetoder för vatten och andra vätskor eftersom storleken vid vilken droppar exploderar är så nära kopplad till dess föroreningsbelastning.