Ученые засняли падение капли на горячий сапфир

Группа ученых впервые сделала высокоскоростную съемку падения капли жидкости на поверхность, нагретую до высокой температуры. Это позволило им наблюдать, как изменяется форма капли при контакте с горячим материалом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Ученые исследовали изменение формы основания капли при падении на поверхность, температура которой достаточна для возникновения эффекта Лейденфроста. В этом случае между каплей и субстратом возникает очень тонкий слой изолирующего пара, который снижает скорость выкипания жидкости. Температура, при которой возникает эффект Лейденфроста, зависит от типа жидкости и материала, а также скорости падения капли.

Для получения изображений исследователи воспользовались методом полного внутреннего отражения. Метод позволяет разглядеть, что происходит в 100-нанометровом слое между поверхностью материала и основанием капли. В качестве материала ученые выбрали сапфир, который нагревали в диапазоне температур от 80 до 590 градусов Цельсия. На сапфир с различной высоты роняли капли этанола. Съемки производили с помощью высокоскоростной камеры Photron Fastcam SA-X2.

Ученые наблюдали три типа поведения капли жидкости при ударе о нагретую поверхность. При сравнительно низких температурах от 100 до 160 градусов Цельсия капли этанола смачивали субстрат. Дальнейшее увеличение температуры привело к пограничному состоянию жидкости, когда часть микроскопических капелек у основания большой капли начинали левитировать в слое пара. И, наконец, при температуре примерно в 200 градусов Цельсия, когда достигался эффект Лейденфроста, исследователи обнаружили, что нижняя поверхность капли образовывала кольцо по краям с вогнутостью посередине.  

Эффект Лейденфроста может приводить и к другим явлениям. Например, капли, которые левитируют на «паровой подушке», демонстрируют способность целенаправленно двигаться на подложке с рифленой структурой. Исследования, проведенные в 2010 году, показали, что причиной движения является неравномерное течение пара из под капли жидкости.

Александр Еникеев