Spat een paar druppels water op een hete pan en als de pan heet genoeg is, gaat het water sissen en lijken de waterdruppels te rollen en te zweven, boven het oppervlak te zweven.

De temperatuur waarbij dit fenomeen, het Leidenfrost-effect genoemd, optreedt, is voorspelbaar en treedt meestal op boven de 230 graden Celsius. Het team van Jiangtao Cheng, universitair hoofddocent aan de Virginia Tech Department of Mechanical Engineering, heeft een methode ontdekt om de levitatie in het water bij een veel lagere temperatuur te creëren, en de resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics .

Naast eerste auteur en Ph.D. student Wenge Huang, werkte het team van Cheng samen met Oak Ridge National Lab en de Dalian University of Technology voor delen van het onderzoek.

De ontdekking heeft een groot potentieel in toepassingen voor warmteoverdracht, zoals de koeling van industriële machines en het reinigen van oppervlaktevervuiling voor warmtewisselaars. Het kan ook helpen schade en zelfs rampen aan nucleaire machines te voorkomen.

Momenteel zijn er in de VS meer dan 90 vergunde kernreactoren die tientallen miljoenen huizen van stroom voorzien, lokale gemeenschappen verankeren en feitelijk de helft van de elektriciteitsproductie van schone energie in het land voor hun rekening nemen. Er zijn middelen nodig om deze reactoren te stabiliseren en te koelen, en warmteoverdracht is cruciaal voor normale bedrijfsvoering.

De fysica van zwevend water

Al drie eeuwen lang is het Leidenfrost-effect een bekend fenomeen onder natuurkundigen dat de temperatuur vaststelt waarbij waterdruppels op een bed van hun eigen damp zweven. Hoewel het algemeen gedocumenteerd is om te beginnen bij 230 graden Celsius, hebben Cheng en zijn team die limiet veel lager gelegd.

Het effect treedt op omdat er twee verschillende watertoestanden samenleven. Als we het water op druppelniveau zouden kunnen zien, zouden we waarnemen dat niet de hele druppel aan de oppervlakte kookt, maar slechts een deel ervan. De hitte verdampt de bodem, maar de energie reist niet door de hele druppel. Het vloeibare gedeelte boven de damp ontvangt minder energie omdat een groot deel ervan wordt gebruikt om de bodem te koken. Dat vloeibare deel blijft intact, en dit is wat we zien drijven op zijn eigen damplaag. Sinds de ontdekking ervan in de 18e eeuw wordt dit het Leidenfrost-effect genoemd, genoemd naar de Duitse arts Johann Gottlob Leidenfrost.

Die hete temperatuur ligt ruim boven het kookpunt van 100 graden Celsius, omdat de hitte hoog genoeg moet zijn om direct een damplaag te vormen. Te laag en de druppels blijven niet zweven. Te hoog, en de hitte zal de hele druppel verdampen.

Nieuw werk aan de oppervlakte

Bij de traditionele meting van het Leidenfrost-effect wordt ervan uitgegaan dat het verwarmde oppervlak vlak is, waardoor de warmte gelijkmatig op de waterdruppels terechtkomt. Het team van Cheng werkt in het Virginia Tech Fluid Physics Lab en heeft een manier gevonden om het beginpunt van het effect te verlagen door een oppervlak te produceren dat bedekt is met micropilaren.

"Net als de papillen op een lotusblad doen micropilaren meer dan alleen het oppervlak versieren", zegt Cheng. "Ze geven het oppervlak nieuwe eigenschappen."

De micropilaren ontworpen door het team van Cheng zijn 0,08 millimeter hoog, ongeveer even breed als een mensenhaar. Ze zijn gerangschikt in een regelmatig patroon met een onderlinge afstand van 0,12 millimeter. Een druppel water omvat er 100 of meer. Deze kleine pilaren drukken zich in een waterdruppeltje, waardoor warmte vrijkomt in de binnenkant van het druppeltje en het sneller kookt.

Vergeleken met de traditionele opvatting dat het Leidenfrost-effect bij 230 graden Celsius teweegbrengt, drukken de vin-array-achtige micropilaren meer warmte in het water dan een plat oppervlak. Dit zorgt ervoor dat microdruppels bij lagere temperaturen binnen milliseconden zweven en van het oppervlak springen, omdat de kooksnelheid kan worden geregeld door de hoogte van de pilaren te veranderen.

De limieten van Leidenfrost verlagen

Toen het gestructureerde oppervlak werd verwarmd, ontdekte het team dat de temperatuur waarbij het zwevende effect werd bereikt aanzienlijk lager was dan die van een plat oppervlak, beginnend bij 130 graden Celsius.

Dit is niet alleen een nieuwe ontdekking voor het begrip van het Leidenfrost-effect, het is ook een draai aan de grenzen die eerder werden voorgesteld. Uit een onderzoek uit 2021 van Emory University bleek dat de eigenschappen van water er feitelijk voor zorgden dat het Leidenfrost-effect mislukte wanneer de temperatuur van het verwarmde oppervlak daalt tot 140 graden. Met behulp van de micropilaren van het team van Cheng is het effect zelfs 10 graden daaronder duurzaam.

"We dachten dat de micropilaren het gedrag van dit bekende fenomeen zouden veranderen, maar onze resultaten tartten zelfs onze eigen verbeelding", zei Cheng. "De waargenomen interacties tussen bellen en druppels zijn een grote ontdekking voor de overdracht van kokende warmte."

Het Leidenfrost-effect is meer dan een intrigerend fenomeen om naar te kijken; het is ook een cruciaal punt in de warmteoverdracht. Wanneer water kookt, wordt de warmte op de meest efficiënte manier van een oppervlak verwijderd. Bij toepassingen zoals machinekoeling betekent dit dat het aanpassen van een heet oppervlak aan de textuurbenadering van het team van Cheng ervoor zorgt dat de warmte sneller wordt afgevoerd, waardoor de kans op schade wordt verkleind als een machine te heet wordt.

"Ons onderzoek kan rampen zoals dampexplosies voorkomen, die een aanzienlijke bedreiging vormen voor industriële warmteoverdrachtsapparatuur", aldus Huang. "Dampexplosies doen zich voor wanneer dampbellen in een vloeistof snel uitzetten als gevolg van de aanwezigheid van een intense warmtebron in de buurt. Een voorbeeld van waar dit risico bijzonder relevant is, is in kerncentrales, waar de oppervlaktestructuur van warmtewisselaars de groei van dampbellen kan beïnvloeden en mogelijk dergelijke explosies veroorzaken. Door middel van onze theoretische verkenning in het artikel onderzoeken we hoe de oppervlaktestructuur de groeiwijze van dampbellen beïnvloedt, wat waardevolle inzichten oplevert in het beheersen en beperken van het risico op dampexplosies."

Een andere uitdaging waarmee het team wordt geconfronteerd, zijn de onzuiverheden die vloeistoffen achterlaten in de texturen van ruwe oppervlakken, wat een uitdaging vormt voor de zelfreiniging. Onder sproeireiniging of spoelomstandigheden kunnen noch conventionele Leidenfrost, noch koude druppels bij kamertemperatuur neergeslagen deeltjes volledig uit de oppervlakteruwheid verwijderen.

Met behulp van de strategie van Cheng kan het genereren van dampbellen deze deeltjes losmaken van de oppervlakteruwheid en ze in de druppel laten hangen. Dit betekent dat de kokende belletjes zowel warmte als onzuiverheden van het oppervlak kunnen afvoeren.