Bubblor är tunna vätskeskal omgivna av luft. Även om de är mindre kända, finns det också antibubblor, som är motsatsen till bubblor, det vill säga ett tunt hölje av ånga omgivet av vätska. I en ny studie visar vi att det är möjligt att skapa antibubblor genom att slå en droppe av en flyktig vätska på ett bad av trögflytande olja uppvärmd till en temperatur över droppens kokpunkt.
Vi upptäckte detta fenomen genom serendipitet vid laboratoriet GRASP vid Université de Liège medan vi studerade ett annat problem angående uppkomsten av Leidenfrost-effekten för en flyktig droppe på ett vätskebad.
Under denna studie deponerade vi försiktigt den flyktiga droppen på ett varmt bad av viskös olja. Den ursprungliga idén var att minska dropparnas rörelse så mycket som möjligt för att inte påverka mätningen av Leidenfrost-effektens början. Denna effekt, uppkallad efter en tysk vetenskapsman från 1700-talet, motsvarar den paradigmatiska situationen där en droppe vatten rör sig på en het panna, praktiskt taget utan friktion. Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
I själva verket förångar värmen från pannan droppen, vilket effektivt leder till att den svävar över den heta ytan. I förlängningen gäller Leidenfrost-effekten för alla situationer där ett föremål separeras av ett gasskikt som upprätthålls av sin egen förångning orsakad av en värmeöverföring från substratet.
Men under den här studien märkte vi att om vi släppte den flyktiga droppen från högre, tillät droppens kinetiska energi att penetrera badet, omgiven av en tunn film av gas. Den efterföljande gasbelagda kolonnen som bildas dynamiskt destabiliserar och nyper så småningom av. Resultatet är en droppe inkapslad av ett tunt lager av ånga omgiven av vätskebadet, dvs en antibubbla.
Sådana föremål gjordes tidigare under isotermiska förhållanden men deras existens var extremt kort, mindre än 100 ms. Eftersom det hydrostatiska trycket är högre vid botten än vid toppen av antibubblan, främjar en gravitationsdriven dränering ett gasflöde.
Botten blir då tunnare, ömtåligare och så småningom kommer droppen och vätskan i badet i kontakt, vilket leder till att antibubblan dör. Men när en flyktig droppe används i ett överhettat bad, sätts ett värmeflöde från badet mot droppen, genom det tunna gashöljet, och den efterföljande förångningen av droppen kan motverka effekten av dränering.
Den resulterande antibubblan är mycket längre. Eftersom det fysiska ursprunget för dessa relativt stabila antibubblor är skillnaden i temperatur mellan badet och droppen, myntade vi terminologin "termiska antibubblor" för dessa föremål.
Som ett första steg studerade vi systematiskt anslagsförhållandena, det vill säga trögheten hos den inkommande droppen, och temperaturskillnaden mellan badet och droppen som ledde till bildningen av termiska antibubblor. Vi upprättade ett fasdiagram som en funktion av dessa två parametrar där antibubblor kan skapas för det vätskepar som de övervägde i sin studie.
Sedan fokuserade vi på dynamiken hos en termisk antibubbla efter att den bildats. Vi observerade att antibubblan först sjunker i badet eftersom densiteten hos vätskan som utgör droppen är större än densiteten hos det viskösa badet och ångskiktet som omger droppen är initialt mycket tunt. Eftersom badet är varmare än droppens kokpunkt, avdunstar droppen och matar antibubblans gasskikt utan att koka (det är Leidenfrosts magi).
Som ett resultat av ånggenereringen ökar antibubblans flytkraft och når en punkt där den är lika med droppens vikt och antibubblan stannar. Därefter övervinner antibubblans flytkraft droppens vikt och dess rörelse vänder mot badets yta.
När antibubblan avslutar sin resa genom det varma badet spårar vi antibubblans konturer och härleder dess volym som en funktion av tiden. För en droppe på cirka 800 μm i radie och en temperaturskillnad mellan badet och droppen nära 80°C, observerade vi att volymen av antibubblan ökade med en faktor tre på cirka 200 ms. För större temperaturskillnader har antibubblans uppblåsningshastighet visat sig vara ännu högre.
För att rationalisera sina observationer arbetade våra kollegor från TIPs-laboratoriet vid University Libre de Bruxelles och som är involverade i denna studie med att modellera problemet. Eftersom värmeöverföringen som leder till förångningen av droppen är slavad till tjockleken på gasskiktet som i sig påverkas av gravitationsdräneringen, måste en kopplad modell av värme- och vätsketransport skrivas.
Det första steget var att anpassa de modeller som tidigare utvecklats för att rationalisera dynamiken i ångskiktet i problemet med Leidenfrost-droppar på ett flytande substrat. Men tyvärr förutspådde detta tillvägagångssätt en mycket högre inflationstakt för antibubblan, cirka 20 gånger högre än den som observerades experimentellt.
Vi arbetade hårt för att hitta den saknade ingrediensen i denna modell. Slutligen fann vi att den saknade ingrediensen var termaliseringen av droppen vid rumstemperatur när den träffades, och pumpning av termisk energi från badet för att nå sin koktemperatur. Effekten av termalisering av droppar försummas i allmänhet i problem som involverar Leidenfrost-droppar, eftersom det gäller den tidiga droppdynamiken, medan experiment huvudsakligen studerar den totala livslängden för dessa droppar.
I det nuvarande problemet med termiska antibubblor bevisade vi att dropptermisering är avgörande för att förutsäga deras dynamik. I avsaknad av termalisering skulle antibubblornas uppblåsningshastighet vara mycket större, vilket skulle minska deras livslängd avsevärt och göra dessa föremål ännu mer tillfälliga än de egentligen är.
En analytisk lösning för diffusionstermalisering av en sfär som plötsligt bringades till en annan temperatur på dess gränssnitt än i dess centrum fanns tillgänglig i litteraturen. Lyckligtvis var ytterligare förenkling av den initiala lösningen möjlig tack vare de korta tidsskalorna som beaktades och beräkningen av modellen kunde enkelt uppnås.
Ett experimentellt bevis på vikten av termalisering av droppar är tron på små satellitdroppar som ibland dyker upp när moderdroppen nypas av badet i ögonblicket för nedslaget. Inflationshastigheten för dessa satellitdroppar är mycket högre än moderdroppen. Skillnaden är så stor att volymen på den lilla antibubblan snabbt kan nå den stora antibubblans. Denna observation är ett direkt bevis på dropptermaliseringens huvudroll, eftersom satellitdroppar termaliseras mycket snabbare än moderdroppar på grund av deras ringa storlek.
Faktum är att endast termaliseringstermen kan rationalisera denna observation i de ekvationer som beskriver problemet. I slutet av dagen visar det sig att inom de första 100 millisekunderna efter att den skapades, pumpar en Leidenfrost-droppe ungefär 95 % av värmen som kommer från badet för att termaliseras och inte förångas, vilket man kunde dra slutsatsen från befintliga modeller.
Vi drog slutsatsen att termiska antibubblor är unika föremål för att direkt visualisera förångningshastigheten för flyktiga droppar under olika termiska förhållanden och konsekvenserna av droppvärme.
I framtiden skulle dessa objekt kunna betraktas som små sonder för att uppskatta vätskors termiska egenskaper i olika situationer av praktiskt intresse. Slutligen, om livslängden för dessa termiska antibubblor verkligen är några gånger längre än deras isotermiska motsvarigheter, har vi ännu inte uppnått fullständig tillfredsställelse. Den begränsande faktorn för dessa objekt är det faktum att efter att ha nått gränssnittet tillbaka på grund av deras snabbt föränderliga densitet, ser de ungefär ut som vanliga ytbubblor och kan inte längre betraktas som antibubblor.
Nästa berättelse om detta ämne bör skrivas från gravitationsfria miljöer, förhoppningsvis på större tidsskalor, tack vare ett ESA-godkänt projekt för parabolflyg som sannolikt kommer att ske 2024.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Jonas Miguet et al, Thermal Antibubbles:When Thermalization of Encapsulated Leidenfrost Drops Matters, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
I teamet ingår forskare som arbetar inom området mjuk materia från tre laboratorier i Belgien och Frankrike. Benoid Scheid och Stéphane Dorbolo har givit stora bidrag till problemet med isotermiska antibubblor tidigare. Laurent Maquet och Baptiste Darbois Texier har studerat olika problem som involverar Leidenfrost-effekten. Jonas Miguet är specialist på massöverföring i tunna vätskefilmer. Alla dessa färdigheter tillsammans har gjort det möjligt att rationalisera dynamiken i dessa nya objekt, som vi kallade "termiska antibubblor."
