De bodem wordt dan dunner en kwetsbaarder en uiteindelijk komen de druppel en de vloeistof in het bad met elkaar in contact, wat leidt tot de dood van de antibubbel. Wanneer echter een vluchtige druppel in een oververhit bad wordt gebruikt, ontstaat er een warmtestroom van het bad naar de druppel, door de dunne gasomhulling, en kan de daaropvolgende verdamping van de druppel het effect van de drainage tegengaan.

De resulterende antibubbel heeft een veel langere levensduur. Omdat de fysieke oorsprong van deze relatief stabiele antibubbels het temperatuurverschil tussen het bad en de druppel is, hebben we voor deze objecten de term "thermische antibubbels" bedacht.

Als eerste stap bestudeerden we systematisch de impactomstandigheden, dat wil zeggen de traagheid van de binnenkomende druppel, en het temperatuurverschil tussen het bad en de druppel dat leidde tot de vorming van thermische antibellen. We hebben een fasediagram opgesteld als functie van deze twee parameters, waar antibellen kunnen worden gecreëerd voor het paar vloeistoffen dat ze in hun onderzoek hebben overwogen.

Vervolgens concentreerden we ons op de dynamiek van een thermische antibel nadat deze zich had gevormd. We hebben waargenomen dat de antibubbel eerst in het bad zinkt omdat de dichtheid van de vloeistof waaruit de druppel bestaat groter is dan de dichtheid van het stroperige bad en de damplaag die de druppel omringt aanvankelijk erg dun is. Omdat het bad heter is dan het kookpunt van de druppel, verdampt de druppel en voedt de gaslaag van de antibubbel zonder te koken (dat is de magie van Leidenfrost).

Als gevolg van de dampontwikkeling neemt het drijfvermogen van de antibel toe en bereikt een punt waarop het gelijk is aan het gewicht van de druppel en de antibel stopt. Vervolgens overwint het drijfvermogen van de antibubbel het gewicht van de druppel en keert de beweging om naar het oppervlak van het bad.

Terwijl de antibubbel zijn reis door het hete bad voltooit, volgen we de contouren van de antibubbel en leiden we het volume af als functie van de tijd. Voor een druppel met een straal van ongeveer 800 μm en een temperatuurverschil tussen het bad en de druppel van bijna 80°C, hebben we waargenomen dat het volume van de antibel in ongeveer 200 ms met een factor drie toenam. Bij grotere temperatuurverschillen blijkt de inflatie van de antibubbel zelfs nog hoger te zijn.

Om hun waarnemingen te rationaliseren, hebben onze collega's van het TIPs-laboratorium van de Université Libre de Bruxelles, die betrokken zijn bij deze studie, gewerkt aan het modelleren van het probleem. Omdat de warmteoverdracht die tot de verdamping van de druppel leidt afhankelijk is van de dikte van de gaslaag die zelf wordt beïnvloed door de zwaartekrachtdrainage, moet een gekoppeld model van warmte- en vloeistoftransport worden geschreven.

De eerste stap was het aanpassen van de eerder ontwikkelde modellen om de dynamiek van de damplaag in het probleem van Leidenfrost-druppeltjes op een vloeibaar substraat te rationaliseren. Maar helaas voorspelde deze aanpak een veel hogere inflatie van de antizeepbel, ongeveer twintig keer hoger dan de inflatie die experimenteel werd waargenomen.

We hebben hard gewerkt om het ontbrekende ingrediënt van dit model te vinden. Ten slotte ontdekten we dat het ontbrekende ingrediënt de thermalisatie van de druppel bij kamertemperatuur was wanneer deze insloeg, en het pompen van thermische energie uit het bad om de kooktemperatuur te bereiken. Het effect van de thermalisatie van druppels wordt over het algemeen verwaarloosd bij problemen met Leidenfrost-druppeltjes, omdat het de vroege druppeldynamiek betreft, terwijl experimenten vooral de totale levensduur van deze druppels bestuderen.

In het huidige probleem van thermische antibellen hebben we bewezen dat de thermalisatie van druppels essentieel is voor het voorspellen van hun dynamiek. Zonder thermalisatie zou het inflatiepercentage van de antibellen veel groter zijn, wat hun levensduur aanzienlijk zou verkorten en deze objecten nog vluchtiger zou maken dan ze in werkelijkheid zijn.

Er was in de literatuur een analytische oplossing beschikbaar voor de diffusiethermisatie van een bol die plotseling op een andere temperatuur op het grensvlak werd gebracht dan in het midden. Gelukkig was een verdere vereenvoudiging van de oorspronkelijke oplossing mogelijk dankzij de korte tijdsschalen die in aanmerking werden genomen en kon de berekening van het model gemakkelijk worden uitgevoerd.

Een experimenteel bewijs van het belang van de thermalisatie van druppels is het vertrouwen van kleine satellietdruppeltjes die soms verschijnen wanneer de moederdruppel op het moment van de botsing door het bad wordt afgeknepen. Het inflatiepercentage van deze satellietdruppeltjes is veel hoger dan dat van de moederdruppel. Het verschil is zo groot dat het volume van de kleine antibel snel dat van de grote antibel kan bereiken. Deze waarneming is een direct bewijs van de belangrijkste rol van de thermalisatie van druppels, aangezien satellietdruppeltjes vanwege hun kleine formaat veel sneller thermaliseren dan moederdruppels.

Alleen de term thermalisatie kan deze observatie rationaliseren in de vergelijkingen die het probleem beschrijven. Uiteindelijk blijkt dat een Leidenfrost-druppel binnen de eerste 100 milliseconden na zijn creatie ongeveer 95% van de warmte die uit het bad komt, pompt om te thermaliseren en niet om te verdampen, zoals uit bestaande modellen kon worden geconcludeerd.

We concludeerden dat thermische antibellen unieke objecten zijn om de verdampingssnelheid van vluchtige druppels onder verschillende thermische omstandigheden en de gevolgen van de thermalisatie van druppels direct in beeld te brengen.

In de toekomst zouden deze objecten kunnen worden beschouwd als kleine sondes voor het schatten van de thermische eigenschappen van vloeistoffen in verschillende situaties van praktisch belang. Ten slotte:als de levensduur van deze thermische antibellen inderdaad een paar keer groter is dan die van hun isotherme tegenhangers, hebben we nog geen volledige tevredenheid bereikt. De beperkende factor voor deze objecten is het feit dat ze, nadat ze het grensvlak hebben bereikt vanwege hun snel veranderende dichtheid, veel op gewone oppervlaktebellen lijken en niet meer als antibellen kunnen worden beschouwd.

Het volgende verhaal over dit onderwerp zou geschreven moeten worden vanuit zwaartekrachtvrije omgevingen, hopelijk op grotere tijdschalen, dankzij een door de ESA goedgekeurd project voor paraboolvluchten dat waarschijnlijk in 2024 zal plaatsvinden.

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.

Meer informatie: Jonas Miguet et al, Thermal Antibubbles:When Thermalization of Encapsulated Leidenfrost Drops Matters, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Het team bestaat uit onderzoekers die werkzaam zijn op het gebied van zachte materie vanuit drie laboratoria in België en Frankrijk. Benoid Scheid en Stéphane Dorbolo hebben in het verleden een belangrijke bijdrage geleverd aan het probleem van isothermische antibellen. Laurent Maquet en Baptiste Darbois Texier hebben verschillende problemen met het Leidenfrost-effect bestudeerd. Jonas Miguet is een specialist in massaoverdracht in dunne vloeistoffilms. Al deze vaardigheden bij elkaar hebben het mogelijk gemaakt om de dynamiek van deze nieuwe objecten, die we 'thermische antibellen' noemden, te rationaliseren.