Stänk några droppar vatten på en het panna och om pannan är tillräckligt varm kommer vattnet att fräsa och vattendropparna tycks rulla och flyta och sväva över ytan.
Temperaturen vid vilken detta fenomen, kallad Leidenfrost-effekten, inträffar är förutsägbar, vanligtvis över 230 grader Celsius. Teamet av Jiangtao Cheng, docent vid Virginia Tech Department of Mechanical Engineering, har upptäckt en metod för att skapa den akvatiska levitationen vid en mycket lägre temperatur, och resultaten har publicerats i Nature Physics .
Vid sidan av första författare och Ph.D. student Wenge Huang, Chengs team samarbetade med Oak Ridge National Lab och Dalian University of Technology för delar av forskningen.
Upptäckten har stor potential inom värmeöverföringsapplikationer som kylning av industrimaskiner och ytbeläggningsrengöring för värmeväxlare. Det kan också hjälpa till att förhindra skador och till och med katastrofer för kärnkraftsmaskineri.
För närvarande finns det mer än 90 licensierade driftbara kärnreaktorer i USA som driver tiotals miljoner hem, förankrar lokala samhällen och som faktiskt står för hälften av landets elproduktion med ren energi. Det kräver resurser för att stabilisera och kyla dessa reaktorer, och värmeöverföring är avgörande för normal drift.
I tre århundraden har Leidenfrost-effekten varit ett välkänt fenomen bland fysiker som fastställer temperaturen vid vilken vattendroppar svävar på en bädd av sin egen ånga. Även om det är allmänt dokumenterat att starta vid 230 grader Celsius, har Cheng och hans team sänkt den gränsen mycket lägre.
Effekten uppstår eftersom det finns två olika vattentillstånd som lever tillsammans. Om vi kunde se vattnet på droppnivå skulle vi observera att inte hela en droppe kokar vid ytan, bara en del av den. Värmen förångar botten, men energin går inte genom hela droppen. Den flytande delen ovanför ångan får mindre energi eftersom mycket av den används för att koka botten. Den flytande delen förblir intakt, och det här är vad vi ser flyta på sitt eget lager av ånga. Detta har sedan dess upptäckt på 1700-talet kallats Leidenfrost-effekten, uppkallad efter den tyske läkaren Johann Gottlob Leidenfrost.
Den varma temperaturen ligger långt över vattnets kokpunkt på 100 grader Celsius eftersom värmen måste vara tillräckligt hög för att omedelbart bilda ett ångskikt. För lågt och dropparna svävar inte. För hög, och värmen kommer att förånga hela droppen.
Den traditionella mätningen av Leidenfrost-effekten förutsätter att den uppvärmda ytan är plan, vilket gör att värmen träffar vattendropparna jämnt. Chengs team har arbetat i Virginia Tech Fluid Physics Lab och hittat ett sätt att sänka utgångspunkten för effekten genom att producera en yta täckt med mikropelare.
"Som papillerna på ett lotusblad, gör mikropelare mer än att dekorera ytan," sa Cheng. "De ger ytan nya egenskaper."
Mikropelarna designade av Chengs team är 0,08 millimeter höga, ungefär samma bredd som ett människohår. De är arrangerade i ett regelbundet mönster med 0,12 millimeters mellanrum. En droppe vatten omfattar 100 eller fler av dem. Dessa små pelare trycks in i en vattendroppe, släpper ut värme i droppens inre och får den att koka snabbare.
Jämfört med den traditionella uppfattningen att Leidenfrost-effekten utlöser vid 230 grader Celsius, pressar de fenarrayliknande mikropelarna mer värme i vattnet än en plan yta. Detta får mikrodroppar att sväva och hoppa från ytan inom millisekunder vid lägre temperaturer eftersom kokningshastigheten kan kontrolleras genom att ändra höjden på pelarna.
När den strukturerade ytan värmdes upp upptäckte teamet att temperaturen vid vilken den flytande effekten uppnåddes var betydligt lägre än den på en plan yta, med start vid 130 grader Celsius.
Detta är inte bara en ny upptäckt för förståelsen av Leidenfrost-effekten, det är en vändning på de gränser som tidigare föreställts. En studie från 2021 från Emory University fann att vattnets egenskaper faktiskt gjorde att Leidenfrost-effekten misslyckades när temperaturen på den uppvärmda ytan sjunker till 140 grader. Med hjälp av mikropelare skapade av Chengs team är effekten hållbar även 10 grader under det.
"Vi trodde att mikropelarna skulle förändra beteendet hos detta välkända fenomen, men våra resultat trotsade till och med vår egen fantasi", sa Cheng. "De observerade bubbla-droppar-interaktionerna är en stor upptäckt för kokande värmeöverföring."
Leidenfrost-effekten är mer än ett spännande fenomen att titta på, det är också en kritisk punkt vid värmeöverföring. När vatten kokar är det mest effektivt att ta bort värme från en yta. I applikationer som maskinkylning betyder detta att anpassning av en het yta till den strukturerade metod som presenteras av Chengs team får ut värmen snabbare, vilket minskar risken för skador som uppstår när en maskin blir för varm.
"Vår forskning kan förhindra katastrofer som ångexplosioner, som utgör betydande hot mot industriell värmeöverföringsutrustning", säger Huang. "Ångexplosioner inträffar när ångbubblor i en vätska snabbt expanderar på grund av närvaron av en intensiv värmekälla i närheten. Ett exempel på där denna risk är särskilt relevant är i kärnkraftverk, där ytstrukturen på värmeväxlare kan påverka tillväxten av ångbubblor och potentiellt utlösa sådana explosioner Genom vår teoretiska utforskning i artikeln undersöker vi hur ytstrukturen påverkar ångbubblors tillväxtsätt, vilket ger värdefulla insikter om att kontrollera och minska risken för ångexplosioner."
En annan utmaning som teamet tar upp är de föroreningar som vätskor lämnar efter sig i strukturen på grova ytor, vilket innebär utmaningar för självrengöring. Under sprayrengöring eller sköljningsförhållanden kan varken konventionell Leidenfrost eller kalla droppar vid rumstemperatur helt eliminera avsatta partiklar från ytråhet.
Genom att använda Chengs strategi kan genereringen av ångbubblor avlägsna dessa partiklar från ytråhet och suspendera dem i droppen. Det gör att de kokande bubblorna både kan flytta bort värme och föroreningar från ytan.
