Физики сымитировали бильярд с помощью жидкого азота и капли спирта

Anaïs Gauthier et al. / PNAS, 2019

Физики из Нидерландов и Франции обнаружили, что капли этанола или силиконового масла, помещенные над поверхностью жидкого азота, левитируют за счет обратного эффекта Лейденфроста, ускоряются, скользят по прямым траекториям и упруго отражаются от стенок, словно бильярдные шары. При этом время левитации капли может достигать десяти минут, что почти на порядок превышает время левитации обычного эффекта Лейденфроста. Численное моделирование процесса показало, что капли ускоряются из-за асимметрии газовой подушки, создаваемой испаряющимся азотом. Несмотря на то, что исследователи не смогли объяснить эту асимметрию, они предложили несколько механизмов ее генерации и воспроизвели остальные результаты с помощью качественной модели. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), кратко о ней сообщает Nature.

В XVIII веке Иоганн Лейденфрост заметил, что капля жидкости, попавшая на твердую раскаленную поверхность, подвешивается и остается в таком состоянии в течение долгого промежутка времени (порядка нескольких минут). Это происходит из-за того, что нижний слой капли мгновенно превращается в пар, обладающий плохой теплопроводностью, который изолирует оставшуюся жидкость. Эффект Лейденфроста легко можно увидеть в повседневной жизни: если побрызгать водой на сковородку, разогретую до температуры порядка 200 градусов Цельсия, вода соберется в капли, которые будут скользить по поверхности. Кроме того, благодаря этому эффекту можно без ущерба погружать мокрую руку в расплавленный металл или пускать колечки жидкого азота (впрочем, делать это нужно аккуратно, поскольку в случае ошибки можно серьезно пострадать или даже умереть).

Несмотря на то, то эффект Лейденфроста известен более двухсот лет, физики до сих пор продолжают его исследовать и открывать новые детали. Например, за последние десять лет ученые выяснили, что капли не только могут двигаться по раскаленной поверхности практически без трения, но также отражаются от стенок, подпрыгивают и дрожат. Более того, направление их движения можно контролировать, создавая на поверхности подложки асимметричный узор, который направляет пар. Также ученым удалось воспроизвести эффект над поверхностью жидкости, а не твердого тела — несмотря на то, что поверхность сильно деформируется под весом капли, это слабо влияет на движение капли, поскольку она не контактирует с жидкостью.

Группа ученых под руководством Анаис Гаутхир (Anaïs Gauthier) исследовала еще одну вариацию этого эффекта — обратный эффект Лейденфроста. В этом случае капля подвешивается в воздухе за счет испарения подложки — например, жидкого азота. Неожиданно ученые обнаружили, что поведение капли в такой установке сильно отличается от обычного эффекта Лейденфроста: капли самопроизвольно ускоряются, скользят по прямым линиям, отражаются от стенок и продолжают левитировать даже после того, как полностью замерзнут. Подобное поведение сохраняется в течение длительного времени (порядка десяти минут), и напоминает бильярд (или пинбол), в котором капля выступает в роли шарика.


Для изучения обратного эффекта Лейденфроста ученые построили несложную экспериментальную установку. В центре установки находился бассейн с жидким азотом (диаметром около 7,5 сантиметров), в который ученые сбрасывали маленькие (диаметром порядка одного-двух миллиметров) капли этанола или силиконового масла. Физики выбрали эти жидкости из-за низкой температуры плавления (менее −100 градусов Цельсия), не позволяющей капле примерзать к иголке, с помощью которой ее подносили к поверхности бассейна. Кроме того, капли из этих жидкостей всегда принимают сферическую форму, когда замерзают (в отличие от капель воды, например). Чтобы предотвратить выкипание азота, ученые поместили его в «азотную баню» — окружили установку еще одним «жертвенным» бассейном с жидким азотом, который кипел и поддерживал во внутреннем бассейне постоянную температуру. В результате поверхность жидкости оставалась идеально гладкой в ходе всего эксперимента.


Поскольку и этанол, и силиконовое масло тяжелее жидкого азота, помещенная на его поверхность капля сначала тонула, однако затем быстро выносились на поверхность испаряющимся газом. После этого капля начинала медленно ускоряться и скользить по прямым линиям, идеально — то есть без потерь энергии — отражаясь от стенок бассейна. Как правило, период ускорения длился около пяти секунд. После этого скорость капли так же медленно начинала уменьшаться и спустя 30 секунд выходила на постоянный уровень. К этому времени температура капли практически сравнивалась с температурой кипения азота, то есть она больше не могла «кипятить» азот и создавать газовую подушку. Тем не менее, шарик еще несколько минут продолжал левитировать над жидкостью, пока внешнее воздействие — колебание поверхности или встреча с ледяным кристаллом — не выводила его из равновесия. При этом твердый шарик мог вращаться вокруг своей оси, тогда как жидкая капля в собственной системе отсчета всегда оставалась неподвижной. После этого капля тонула. Ученые отмечают, что время левитации капли почти на порядок превышает время обычного эффекта Лейденфроста, которое для капель миллиметрового диаметра обычно составляет около 30 секунд.

Чтобы объяснить такое необычное поведение, ученые численно смоделировали движение капли с помощью метода конечных элементов (sharp-interface finite element method). Для простоты физики пренебрегали температурными эффектами и считали, что азот испаряется с постоянной скоростью. Такое моделирование позволило ученым заметить тонкие детали, которые было невозможно увидеть на практике. В частности, оказалось, что капля неравномерно искажает газовую подушку испарившегося газа и начинала двигаться в сторону более глубокой «ямки». Разность толщины всегда получается постоянной и примерно равной 1,5 микрометрам. Когда капля набегает на мениск около стенки, «толстая» сторона подушки утончается, капля изменяет направление движения на противоположное и восстанавливает разницу. Это наблюдение позволило ученым обнаружить еще один вид траекторий капли, сохраняющихся в течение длительного времени — когда капля находится достаточно близко к стенке и имеет большую касательную скорость, сила отталкивания уравновешивает центробежную силу, и капля двигается по кругу.


Отталкиваясь от результатов моделирования, физики предложили модель, которая описывает движение капли. Для этого ученые учли не только кипение азота вокруг капли, но также охлаждение капли и постоянное испарение азота, не зависящее от ее присутствия. Поскольку исследователям не удалось объяснить разницу между толщиной газовой подушки спереди и сзади капли, они рассматривали эту величину как свободный параметр. Подбирая значение асимметрии и решая уравнение движения, физикам удалось воспроизвести наблюдаемые явления — ускорение, последующее замедление и выход на постоянную скорость, а также рассчитать среднюю величину газовой подушки. Кроме того, ученые предложили несколько возможных процессов, которые могут создать асимметрию — например, нестабильности на поверхности капли и азота.

Физики часто наблюдают явления, похожие на эффект Лейденфроста. Например, в ноябре 2015 года швейцарские ученые обнаружили, что при низком давлении капли воды, помещенные на супергидрофобную поверхность, начинают самопроизвольно подпрыгивать. Наблюдения через инфракрасную камеру показали, что капли подпрыгивают из-за взрывного испарения, которое запускается кристаллизацией переохлажденной жидкости. В феврале 2016 исследователи из Нидерландов записали на высокоскоростную камеру падение капель этанола на раскаленную сапфировую поверхность (температура до 590 градусов Цельсия) и показали, что испарение нижних слоев капли сильно влияет на форму брызг, образующихся при ее разрушении. А в ноябре 2017 американские физики объяснили эффект кратковременной левитации холодной капли, падающей в резервуар с горячей жидкостью — например, капли молока над поверхностью горячего кофе. В отличие от эффекта Лейденфроста, в этом случае левитация возникает не за счет испарения капли, а за счет потоков воздуха, которые втягиваются в область между каплей и поверхностью жидкости.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.