莱顿弗斯特原理（悬浮莱顿弗罗斯特水滴的最终命运）

一项新的研究显示了莱顿弗罗斯特液滴的最终命运，这些液滴悬浮在非常热的表面之上。较大的液滴会发出剧烈的爆炸声。较小的那些简单缩小并飞走。

图片来源：Lyu / Mathai

在热煎锅上泼一些水，你会经常看到水滴嘶嘶声并迅速蒸发。但如果你真的加热了，就会发生一些不同的事情。液滴保持完整，在表面上跳舞和滑行，这就是所谓的莱顿弗罗斯特效应。现在，一个研究小组详细介绍了这些莱顿弗罗斯特液滴如何满足其最终命运。

在“ 科学进展”杂志上发表的一篇论文中，研究小组表明，莱顿弗罗斯特的小水滴最终从热表面开始消失并消失，而较大的水滴则会发出剧烈的爆炸声，并伴有可听见的“裂缝”。液滴最终是否爆炸或逃逸取决于其初始尺寸和固体污染物的数量 - 环境灰尘或污垢颗粒 - 液滴包含。

除了解释Johann Gottlob Leidenfrost在1756年记录这一现象时所听到的裂缝声音，这些发现可能证明在未来的设备中有用 - 冷却系统或粒子输送和沉积设备 - 可能利用莱顿弗罗斯特效应。

布朗大学博士后研究员，该研究的共同主要作者Varghese Mathai说：“这回答了这个有着长达250年历史的问题。” “我们在文献中找不到任何先前的尝试来解释裂缝声音的来源，因此这是一个基本问题的答案。”

该研究发表于“ 科学进步”，是由布朗的Mathai，清华大学的共同主要作者Sijia Lyu和来自比利时，中国和荷兰的其他研究人员合作完成的。

自莱顿弗罗斯特在水滴中观察到这种奇特的行为以来，科学家已经找到了悬浮现象如何发生的物理学。当液滴与远远超出液体沸点的表面接触时，液滴下方会形成一层蒸气。蒸气垫支撑着水滴的重量。蒸汽还使液滴绝缘并减缓其蒸发速率，同时使其能够像在魔毯上一样滑行。对于水，当遇到超过380华氏度的表面时会发生这种情况。莱顿弗罗斯特的温度因油或酒精等其他液体而异。

几年前，一个不同的研究团队观察到微小的莱顿弗罗斯特滴的最终命运，表明它们的尺寸稳定缩小，然后突然从表面发射并消失。但这并没有解释莱顿弗罗斯特听到的裂缝声音，也没有人做过详细的研究，看看那声音来自哪里。

对于这项新的研究，研究人员以每秒40,000帧的记录速度和敏感的麦克风设置摄像机，以观察和收听莱顿弗罗斯特温度以上的单个乙醇滴。他们发现，当液滴开始时相对较小时，它们的表现与先前研究人员观察到的一样 - 收缩然后逃逸。在某一点上，当这些液滴变得足够小且重量轻时，它们周围的蒸汽流会使它们突然进入空气中，最后它们消失。

但研究表明，当液滴直径为毫米或更大时，发生了一些非常不同的情况。较大的水滴会逐渐缩小，但它们不会小到可以飞走。相反，较大的液滴稳定地向下面的热表面下沉。最终，液滴与表面接触，在那里它会发出可听见的裂缝。那么为什么那些较大的水滴不会缩小到足以像飞起的水滴一样飞行？研究人员说，这是一个污染问题。

没有液体是纯净的。它们都有微小的颗粒污染物 - 灰尘和其他影响莱顿弗罗斯特过程的颗粒。随着液滴收缩，其中的颗粒污染物浓度增加。对于开始变大的液滴尤其如此，因为它们具有更高的颗粒绝对值。研究人员推测，对于开始大的滴，污染物的浓度会变得很高，以至于颗粒会沿着液滴的表面积聚成坚固的壳。那壳会切断形成下垫子的蒸汽供应。结果，液滴向下方的热表面下沉并在接触时爆炸。

为了测试这个想法，研究人员观察到液滴具有不同程度的二氧化钛微粒污染。他们发现，随着污染物水平的增加，爆炸时液滴的平均尺寸也会增加。该研究还能够在爆炸碎片中对污染物壳进行成像。

总之，证据表明，即使微量污染物在确定莱顿弗罗斯特液滴的命运方面也起着关键作用。除了解释莱顿弗罗斯特首次报道的裂缝声之外，这一发现可能具有实际应用价值。

最近的研究表明，莱顿弗罗斯特下降的方向可以控制。这可以使它们在微电子制造工艺中用作悬浮颗粒载体。还有可能在热交换器中使用莱顿弗罗斯特液滴，这些热交换器旨在将电子元件保持在特定温度。

“你可以使用这些污染物来改变莱顿弗罗斯特液滴的使用寿命，”马泰说。“因此，您可以原则上弄清楚它将沉积颗粒的位置，或通过微调污染物的量来控制传热持续多长时间。”

研究结果可能用于开发水和其他液体的新纯度测试方法，因为液滴爆炸的大小与其污染负荷密切相关。

（来源：布朗大学）