Spat wat water op een hete koekenpan, en je zult de druppels vaak zien sissen en snel verdampen. Maar als je de hitte echt opvoert, er gebeurt iets anders. De druppels blijven intact, dansend en springend over het oppervlak in wat bekend staat als het Leidenfrost-effect. Nu heeft een team van onderzoekers gedetailleerd beschreven hoe deze Leidenfrost-druppels hun uiteindelijke lot tegemoet gaan.

In een paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , het team laat zien dat Leidenfrost-druppeltjes die klein beginnen, uiteindelijk van het hete oppervlak afschieten en verdwijnen, terwijl grotere druppels hevig exploderen met een hoorbare "kraak". Of de druppel uiteindelijk explodeert of ontsnapt, hangt af van de oorspronkelijke grootte en de hoeveelheid vaste verontreinigingen - omgevingsstof of vuildeeltjes - die de druppel bevat.

Naast het verklaren van het krakende geluid dat Johann Gottlob Leidenfrost meldde te horen in 1756 toen hij het fenomeen documenteerde, de bevindingen kunnen nuttig zijn in toekomstige apparaten - koelsystemen of deeltjestransport- en depositieapparaten - die mogelijk gebruik maken van het Leidenfrost-effect.

"Dit beantwoordt de 250 jaar oude vraag wat dit krakende geluid produceert, " zei Varghese Mathai, een postdoctoraal onderzoeker aan de Brown University en de co-hoofdauteur van de studie. "We konden geen eerdere pogingen in de literatuur vinden om de bron van het krakende geluid te verklaren, dus het is een fundamentele vraag beantwoord."

Het onderzoek, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , was een samenwerking tussen Mathai bij Brown, co-lead auteur Sijia Lyu van Tsinghua University en andere onderzoekers uit België, China en Nederland.

In de jaren sinds Leidenfrost dit eigenaardige gedrag in waterdruppels heeft waargenomen, wetenschappers hebben de fysica ontdekt van hoe het levitatiefenomeen optreedt. Wanneer een vloeistofdruppel in contact komt met een oppervlak dat ver boven het kookpunt van de vloeistof ligt, een dampkussen vormt zich onder de druppel. Dat dampkussen ondersteunt het gewicht van de druppel. De damp isoleert ook de druppel en vertraagt ​​de verdampingssnelheid, terwijl deze kan rondglijden alsof het op een vliegend tapijt is. Voor water, dit gebeurt wanneer het een oppervlak van meer dan ongeveer 380 graden Fahrenheit tegenkomt. Deze Leidenfrost-temperatuur varieert voor andere vloeistoffen zoals oliën of alcohol.

Een paar jaar terug, een ander onderzoeksteam observeerde het uiteindelijke lot van kleine Leidenfrost-druppels, waaruit blijkt dat ze gestaag kleiner worden en dan plotseling van het oppervlak lanceren en verdwijnen. Maar dat verklaarde niet het krakende geluid dat Leidenfrost hoorde, en niemand had een gedetailleerde studie gedaan om te zien waar dat geluid vandaan kwam.

Voor deze nieuwe studie de onderzoekers zetten camera's op met opnamesnelheden tot 40, 000 frames per seconde en gevoelige microfoons om individuele druppels ethanol boven hun Leidenfrost-temperatuur te observeren en te beluisteren. Ze ontdekten dat toen de druppeltjes relatief klein begonnen, ze gedroegen zich zoals de vorige onderzoekers hadden waargenomen:krimpen en vervolgens ontsnappen. Op een bepaald moment, wanneer deze druppeltjes voldoende klein en licht van gewicht worden, de dampstroom om hen heen zorgt ervoor dat ze plotseling de lucht in vliegen waar ze uiteindelijk verdwijnen.

Maar als druppels beginnen met een diameter van een millimeter of groter, de studie toonde aan, er gebeurt iets heel anders. De grotere druppels krimpen gestaag, maar ze worden niet klein genoeg om weg te vliegen. In plaats daarvan, de grotere druppels zinken gestaag naar het hete oppervlak eronder. Uiteindelijk maakt de druppel contact met het oppervlak, waar het explodeert met een hoorbare barst. Dus waarom krimpen die grotere druppeltjes niet voldoende om te vliegen, zoals de druppeltjes die kleiner beginnen? Dat, zeggen de onderzoekers, is een kwestie van verontreinigingen.

Geen enkele vloeistof is ooit perfect zuiver. Ze hebben allemaal kleine verontreinigingen:stof en andere deeltjes die het Leidenfrost-proces beïnvloeden. Als druppeltjes kleiner worden, de concentratie van deeltjesverontreinigingen daarin neemt toe. Dat geldt vooral voor druppels die groter beginnen omdat ze om te beginnen een hoger absoluut aantal deeltjes hebben. Dus voor druppels die groot beginnen, de onderzoekers vermoedden, de concentratie van verontreinigingen kan zo hoog worden dat de deeltjes zich ophopen tot een vaste schaal langs het oppervlak van de druppel. Die schaal sluit de toevoer van damp af die het kussen eronder vormt. Als resultaat, de druppel zakt naar het hete oppervlak eronder en explodeert bij contact.

Om dit idee te testen, de onderzoekers observeerden vloeistofdruppels die verschillende niveaus van verontreiniging hadden met microdeeltjes van titaniumdioxide. Ze ontdekten dat naarmate het verontreinigingsniveau toenam, dat gold ook voor de gemiddelde grootte van de druppeltjes op het moment van explosie. Het onderzoek was ook in staat om de verontreinigende granaten in beeld te brengen tussen het explosieafval.

Bij elkaar genomen, het bewijs suggereert dat zelfs minieme hoeveelheden verontreinigingen een sleutelrol spelen bij het bepalen van het lot van Leidenfrost-druppels. De bevinding kan praktische toepassingen hebben die verder gaan dan alleen het verklaren van het krakende geluid dat Leidenfrost voor het eerst meldde.

Recent onderzoek heeft uitgewezen dat de richting waarin Leidenfrost-druppels bewegen gecontroleerd kan worden. Dat zou ze bruikbaar kunnen maken als zwevende deeltjesdragers in micro-elektronische fabricageprocessen. Er is ook de mogelijkheid om Leidenfrost-druppels te gebruiken in warmtewisselaars die zijn ontworpen om elektronische componenten op specifieke temperaturen te houden.

"Je kunt deze verontreinigingen gebruiken om de levensduur van een Leidenfrost-druppel te veranderen, "Zei Mathai. "Dus je kunt in principe uitzoeken waar het de deeltjes gaat deponeren, of controleer hoe lang de warmteoverdracht aanhoudt door de hoeveelheid verontreinigingen te verfijnen."

De onderzoeksresultaten kunnen mogelijk worden gebruikt om nieuwe methoden voor het testen van de zuiverheid van water en andere vloeistoffen te ontwikkelen, omdat de grootte waarmee druppeltjes exploderen zo nauw verband houdt met de hoeveelheid verontreinigende stoffen.