Объяснена левитация капель при низкой температуре

Международный коллектив ученых создал новую модель для того, чтобы объяснить поведение капель над горячими жидкостями. С ее помощью исследователи смогли понять, почему капли левитируют при температуре намного ниже, чем наблюдалось в предыдущих экспериментах. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Если внимательно посмотреть на чашку горячего кофе или чая, можно увидеть белую дымку, парящую над поверхностью. Считается, что это капли микронного размера, которые, как известно физикам, могут левитировать над горячей поверхностью. Иногда левитирующие капли могут даже выстроиться в регулярную структуру. Это явление ученые еще не смогли полностью объяснить, тем не менее оно важно для термодинамики испарения, а также может применяться во многих областях: от химического производства до медицины (доставка лекарств в виде аэрозолей по дыхательным путям).

Специалисты лаборатории энергонапряженных тепловых процессов НГУ во главе с профессором Олегом Кабовым и вместе с учеными из Томского политехнического исследовательского университета и Южного методистского университета США наблюдали массив мелких капель над горячей твердой поверхностью. На основе этих наблюдений они разработали новую модель для того, чтобы объяснить эффект, который, как они говорят, позволит также лучше понять поведение капель над нагретыми жидкостями.

Левитация капель над горячими сухими поверхностями называется эффектом Лейденфроста, и большинство предыдущих исследований было сделано при температурах, значительно превышающих точку кипения жидкости. Новые эксперименты проведены с использованием медных блоков, нагретых до 85 °C. Это позволило частично покрыть поверхность тонким слоем воды и дало возможность исследовать левитацию как на влажных, так и на сухих поверхностях. Использовался микроскоп, подключенный к высокоскоростной камере, которая отображала область размером около 1 мм в поперечнике.

Эксперимент начался с меди, покрытой однородным слоем воды толщиной 400 микрон. На первом этапе струя воздуха локально обдувала поверхность, создавая сухой участок диаметром около 750 микрон. Затем включался нагрев поверхности, и над жидким слоем начинали появляться капли. Некоторые из этих капель затем мигрировали к сухому участку, где они левитировали. К удивлению исследователей, капли начали формировать упорядоченные структуры примерно с такими же параметрами, как и над поверхностью жидкости.

Ученые обратили внимание, что температура поверхности намного ниже, чем обычная температура Лейденфроста, поэтому пришлось разработать новую модель для объяснения левитации над сухой поверхностью. Согласно новой теории, левитацию вызывает вытекающий из капли и отражающийся от поверхности меди пар. Ученые также считают, что отток пара создает отталкивающее взаимодействие между каплями, что приводит к образованию регулярных структур.

Как только они разработали свою модель для сухих поверхностей, Олег Кабов и коллеги вернулись к анализу капель над нагретой поверхностью жидкости и пришли к выводу, что новые математические методы описания взаимодействия капель с сухой поверхностью можно также применить к случаю левитации над нагретой смоченной поверхностью. В результате были получены оценки высоты левитации и для этого случая.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.