當(dāng)您在煎鍋中煎炸東西并且一些水滴落入鍋中時(shí)，您可能已經(jīng)注意到這些水滴在熱油膜上四處飛濺?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員首次分析和理解了這種看似微不足道的現(xiàn)象——并且可能對(duì)微流體設(shè)備、傳熱系統(tǒng)和其他有用的功能具有重要意義。
熱表面上的一滴沸水有時(shí)會(huì)懸浮在薄蒸汽膜上，這種現(xiàn)象被稱為萊頓弗羅斯特效應(yīng)。因?yàn)樗鼞腋≡谝粋€(gè)蒸氣墊上，所以液滴可以在幾乎沒(méi)有摩擦的情況下穿過(guò)表面。如果表面涂有熱油，其摩擦力比 Leidenfrost 液滴下的蒸氣膜大得多，則熱液滴的移動(dòng)速度應(yīng)該會(huì)慢得多。但是，與直覺(jué)相反，麻省理工學(xué)院的一系列實(shí)驗(yàn)表明發(fā)生了相反的效果：油滴上的液滴比裸金屬上的液滴縮小得更快。
這種在加熱的油性表面上推動(dòng)液滴的速度比在裸金屬上的速度快 10 到 100 倍，有可能用于自清潔或除冰系統(tǒng)，或推動(dòng)微量液體通過(guò)所使用的微流體設(shè)備的細(xì)管用于生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)研究和測(cè)試。今天在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上的一篇論文中描述了這些發(fā)現(xiàn)，該論文由研究生 Victor Julio Leon 和機(jī)械工程教授 Kripa Varanasi 撰寫。
在之前的研究中，瓦拉納西和他的團(tuán)隊(duì)表明，有可能將這種現(xiàn)象用于其中一些潛在應(yīng)用，但是產(chǎn)生如此高速度(大約快 50 倍)的新工作可以開(kāi)辟更多新用途，瓦拉納西說(shuō)。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的艱苦分析，Leon 和 Varanasi 能夠確定這些液滴從熱表面快速噴射的原因。在高溫、油液粘度和油液厚度合適的條件下，油液會(huì)形成一層薄薄的斗篷，包裹在每個(gè)水滴的外面。隨著液滴加熱，沿液滴和油之間的界面形成微小的蒸汽氣泡。因?yàn)檫@些微小的氣泡沿著液滴的底部隨機(jī)堆積，不對(duì)稱性發(fā)展，氣泡下方的摩擦力降低了液滴與表面的附著力，并將其推開(kāi)。
油性薄膜的作用幾乎就像氣球的橡膠一樣，當(dāng)微小的蒸汽泡破滅時(shí)，它們會(huì)施加一個(gè)力，“氣球只是飛走了，因?yàn)榭諝鈴囊粋?cè)出去，產(chǎn)生了動(dòng)量傳遞，”瓦拉納西說(shuō)。沒(méi)有油斗篷，蒸汽氣泡會(huì)從液滴中向各個(gè)方向流出，阻止自推進(jìn)，但斗篷效應(yīng)像氣球的皮膚一樣將它們固定在里面。
這種現(xiàn)象聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但事實(shí)證明，它取決于發(fā)生在不同時(shí)間尺度的事件之間的復(fù)雜相互作用。
這種新分析的自噴射現(xiàn)象取決于許多因素，包括液滴大小、油膜的厚度和粘度、表面的導(dǎo)熱性、系統(tǒng)中不同液體的表面張力、油的類型，以及表面的紋理。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們測(cè)試的幾種油的最低粘度比周圍空氣的粘度高約 100 倍。因此，預(yù)計(jì)氣泡的移動(dòng)速度要比萊頓弗羅斯特效應(yīng)的氣墊慢得多。“這讓我們了解到，這種液滴移動(dòng)得更快是多么令人驚訝，”Leon 說(shuō)。
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