När du steker något i en stekpanna och några droppar vatten faller i pannan, du kanske har märkt de droppar som skittrar runt ovanpå filmen med het olja. Nu, att till synes trivialt fenomen har analyserats och förståts för första gången av forskare vid MIT - och kan ha viktiga konsekvenser för mikrofluidiska enheter, värmeöverföringssystem, och andra användbara funktioner.

En droppe kokande vatten på en het yta svävar ibland på en tunn ångfilm, ett välstuderat fenomen som kallas Leidenfrost-effekten. Eftersom den hänger på en ångkudde, droppen kan röra sig över ytan med liten friktion. Om ytan är belagd med varm olja, som har mycket större friktion än ångfilmen under en Leidenfrost -droppe, den heta droppen bör förväntas röra sig mycket långsammare. Men, kontraintuitivt, serien av experiment vid MIT har visat att den motsatta effekten händer:Droppen på olja zoomar bort mycket snabbare än på bar metall.

Denna effekt, som driver droppar över en uppvärmd oljig yta 10 till 100 gånger snabbare än på bar metall, kan eventuellt användas för självrengörande eller avisningssystem, eller att driva små mängder vätska genom den lilla slangen av mikrofluidiska enheter som används för biomedicinsk och kemisk forskning och testning. Resultaten beskrivs idag i ett papper i tidningen Fysiska granskningsbrev , skriven av doktoranden Victor Julio Leon och professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

I tidigare forskning har Varanasi och hans team visade att det skulle vara möjligt att utnyttja detta fenomen för några av dessa potentiella applikationer, men det nya verket, producerar så höga hastigheter (ungefär 50 gånger snabbare), kunde öppna upp ännu fler nya användningsområden, Säger Varanasi.

Efter lång och noggrann analys, Leon och Varanasi kunde fastställa orsaken till att dessa droppar snabbt kastades ut från den heta ytan. Under rätt förhållanden vid hög temperatur, oljeviskositet, och oljetjocklek, oljan kommer att bilda en slags tunn kappa som täcker utsidan av varje vattendroppe. När droppen värms upp, små ångbubblor bildas längs gränsytan mellan droppen och oljan. Eftersom dessa små bubblor ackumuleras slumpmässigt längs droppens bas, asymmetri utvecklas, och den sänkta friktionen under bubblan lossnar droppens fastsättning på ytan och driver bort den.

Den oljiga filmen fungerar nästan som en ballongs gummi, och när de små ångbubblorna sprängde igenom, de ger en kraft och "ballongen flyger bara av eftersom luften går ut ena sidan, skapa en momentumöverföring, "Säger Varanasi. Utan oljemanteln, ångbubblorna skulle bara rinna ut från droppen i alla riktningar, förhindrar självdrivning, men cloaking -effekten håller dem inne som ballongens hud.

Fenomenet låter enkelt, men det visar sig bero på ett komplext samspel mellan händelser som händer vid olika tidsskalor.

Detta nyanalyserade självutstötningsfenomen beror på ett antal faktorer, inklusive droppstorleken, tjockleken och viskositeten på oljefilmen, ytans värmeledningsförmåga, ytspänningen för de olika vätskorna i systemet, typen av olja, och ytstruktur.

I deras experiment, den lägsta viskositeten hos de flera oljor de testade var cirka 100 gånger mer viskös än den omgivande luften. Så, det hade förväntats få bubblor att röra sig mycket långsammare än på luftkudden i Leidenfrost -effekten. "Det ger en uppfattning om hur förvånande det är att denna droppe rör sig snabbare, Säger Leon.

När kokningen börjar, bubblor kommer slumpmässigt att bildas från någon kärnbildningsplats som inte ligger mitt i mitten. Bubblbildning kommer att öka på den sidan, som leder till framdrivningen i en riktning. Än så länge, forskarna har inte kunnat kontrollera riktningen för den slumpmässigt inducerade framdrivningen, men de arbetar nu med några möjliga sätt att kontrollera riktningen i framtiden. "Vi har idéer om hur man aktiverar framdrivningen i kontrollerade riktningar, Säger Leon.

Anmärkningsvärt, testerna visade att även om oljefilmen på ytan, som var en kiselskiva, var bara 10 till 100 mikron tjock - ungefär tjockleken på ett människohår - dess beteende matchade inte ekvationerna för en tunn film. Istället, på grund av förångningen av filmen, det betedde sig faktiskt som en oändligt djup oljepöl. "Vi blev lite förbluffade" av den upptäckten, Säger Leon. Medan en tunn film borde ha fått den att fastna, den praktiskt taget oändliga poolen gav droppen mycket lägre friktion, så att den kan röra sig snabbare än väntat, Säger Leon.

Effekten beror på att bildandet av de små bubblorna är en mycket snabbare process än överföring av värme genom oljefilmen, ungefär tusen gånger snabbare, lämnar gott om tid för asymmetrierna i droppen att ackumuleras. När ångbubblorna initialt bildas vid gränssnittet mellan olja och vatten, de är mycket mer isolerande än droppens vätska, vilket leder till betydande termiska störningar i oljefilmen. Dessa störningar gör att droppen vibrerar, minska friktionen och öka förångningshastigheten.

Det krävdes extremt höghastighetsfotografering för att avslöja detaljerna om denna snabba effekt, Leon säger, med en 100, 000 bildrutor per sekund videokamera. "Du kan faktiskt se fluktuationerna på ytan, Säger Leon.

Initialt, Varanasi säger, "Vi var stumped på flera nivåer om vad som hände, eftersom effekten var så oväntad. ... Det är ett ganska komplext svar på vad som kan se ut som enkelt, men det skapar verkligen denna snabba framdrivning. "

I praktiken, effekten innebär att i vissa situationer, en enkel uppvärmning av en yta, med rätt mängd och med rätt typ av oljig beläggning, kan orsaka att frätande skalningsdroppar rensas från en yta. Längre ner på linjen, när forskarna har mer kontroll över riktning, systemet kan eventuellt ersätta några högteknologiska pumpar i mikrofluidiska enheter för att driva droppar genom rätt rör vid rätt tidpunkt. Detta kan vara särskilt användbart i situationer med mikrogravitation, där vanliga pumpar inte fungerar som vanligt.

Det kan också vara möjligt att fästa en nyttolast på dropparna, skapa ett slags mikroskala robotleveranssystem, Säger Varanasi. Och medan deras test fokuserade på vattendroppar, eventuellt kan det gälla många olika typer av vätskor och sublimerande fasta ämnen, han säger.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.