Het Leidenfrost-effect is een bekend natuurkundig fenomeen dat voor het eerst werd ontdekt in 1756. Het treedt op wanneer een vloeistof zich in de buurt van een oppervlak bevindt dat aanzienlijk warmer is dan het kookpunt. Hierdoor ontstaat een isolerende damplaag die voorkomt dat de vloeistof snel kookt. Door dit effekt, een druppel zou over het oppervlak zweven in plaats van het fysiek aan te raken.

Hoewel het Leidenfrost-effect al eeuwen geleden is ontdekt, de gerapporteerde temperaturen waarbij de damplaag begint te vormen, variëren aanzienlijk van onderzoek tot onderzoek. Veel natuurkundigen over de hele wereld zijn daarom dit fenomeen blijven onderzoeken om beter te begrijpen wanneer en hoe het optreedt.

Onderzoekers van Emory University hebben onlangs aangetoond dat Leidenfrost-damplagen kunnen worden volgehouden bij veel lagere temperaturen dan nodig zijn voor hun vorming. Hun bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou zowel theoretische als praktische implicaties kunnen hebben voor verschillende gebieden van de natuurkunde.

"Mijn lab werkt al jaren aan het Leidenfrost-effect, " Justin C. Burton, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Ons eerdere werk was gericht op de interessante dynamiek van zwevende Leidenfrost-druppels, hoe ze bewegen, hoe ze oscilleren, enz. Dit gebeurde meestal bij zeer hoge temperaturen, waar de dunne damplaag die bestaat tussen de druppel en het hete oppervlak behoorlijk robuust is, ook al is de damplaag ongeveer de dikte van een mensenhaar."

Terwijl de eerdere onderzoeken van Burton en zijn collega's interessante inzichten opleverden, een cruciale open vraag bleef nog:wat is de Leidenfrost-temperatuur? Met andere woorden, de exacte temperatuur die nodig is om de damplaag op een oppervlak te vormen en in de loop van de tijd in stand te houden, bleef onduidelijk.

Natuurkundigen hebben nog niet met zekerheid ontdekt hoe de damplaag uiteindelijk verdwijnt, toch merkten ze op dat de dissipatie ervan gepaard gaat met het feit dat de vloeistof het vaste oppervlak raakt en snel, explosief koken. Naast het informeren van natuurkundig onderzoek, het geven van een antwoord op deze vragen zou ook waardevol zijn voor verschillende industrieën die koelhete objecten gebruiken en zelfs voor planetaire wetenschappen die fenomenen zoals freatomagmatische uitbarstingen onderzoeken.

"We wilden deze vragen beantwoorden met behulp van een elektrische techniek om de dikte van de damplaag tijdens de vorming nauwkeurig te bewaken, en terwijl het hete materiaal afkoelde, helemaal tot de damplaag spontaan instortte, " legde Burton uit. "Door een beetje zout aan het water toe te voegen, de vloeistof fungeerde als onderdeel van een elektrisch circuit, en de dunne damplaag fungeerde als een condensator. Hierdoor konden we de damplaag in high-speed, milliseconden voor en na het moment van ineenstorting."

Naast het verzamelen van verschillende metingen van de damplaag, Burton en zijn collega's gebruikten high-speed video om het exacte moment te onderzoeken waarop de laag instort. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat terwijl ze een damplaag vormden rond een heet metalen voorwerp dat in water was ondergedompeld, men moet het opwarmen tot ~240 graden C, diezelfde damplaag kan dan stabiel blijven als het object afkoelt tot ~140 graden C. Bovendien, de lagere temperatuur waarbij de zwevende druppeltjes werden vastgehouden, was niet afhankelijk van de zoutconcentratie of het type metaal dat in het experiment werd gebruikt.

"Ik denk dat de meest opvallende bevinding van ons werk is dat er een lagere temperatuur lijkt te zijn om de stabiliteit van Leidenfrost-damplagen te behouden, en dat er een 'bovenste temperatuur' is voor vorming en een 'lagere temperatuur' voor falen, "Burton zei. "Dit is een zeer praktische bevinding die verder gaat dan de basisfysica."

In de toekomst, de resultaten die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, kunnen onderzoek op een groot aantal verschillende gebieden informeren. In feite, de fysica van dun, het smeren van vloeistof- en gaslagen is een voortdurend onderwerp van onderzoek op veel gebieden, van de studie van wrijving tot zachte weefsels, koeling op nanoschaal en microfluïdica.

"We voeren momenteel een reeks numerieke simulaties uit om te begrijpen hoe de stabiliteit van de damplaag verdwijnt bij de lagere temperatuur, " voegde Burton eraan toe. "Het is een zeer herhaalbaar kenmerk van het experiment, en dus moet het gebaseerd zijn op basale hydrodynamica. Zoals wanneer zich een regendruppel vormt op een blad en naarmate het groter wordt, uiteindelijk valt het af. Deze instabiliteit wordt veroorzaakt door een overmaat aan zwaartekrachten ten opzichte van oppervlaktespanningskrachten, maar we weten momenteel niet hoe de damplaag onstabiel werd in ons experiment."

© 2021 Science X Network