Группа ученых впервые сделала высокоскоростную съемку падения капли жидкости на поверхность, нагретую до высокой температуры. Это позволило им наблюдать, как изменяется форма капли при контакте с горячим материалом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Ученые исследовали изменение формы основания капли при падении на поверхность, температура которой достаточна для возникновения эффекта Лейденфроста. В этом случае между каплей и субстратом возникает очень тонкий слой изолирующего пара, который снижает скорость выкипания жидкости. Температура, при которой возникает эффект Лейденфроста, зависит от типа жидкости и материала, а также скорости падения капли.

Для получения изображений исследователи воспользовались методом полного внутреннего отражения. Метод позволяет разглядеть, что происходит в 100-нанометровом слое между поверхностью материала и основанием капли. В качестве материала ученые выбрали сапфир, который нагревали в диапазоне температур от 80 до 590 градусов Цельсия. На сапфир с различной высоты роняли капли этанола. Съемки производили с помощью высокоскоростной камеры Photron Fastcam SA-X2.

Падение капли этанола на горячую поверхность. Minori Shirota / University of Twente

Поведение капли этанола. Minori Shirota / University of Twente

Ученые наблюдали три типа поведения капли жидкости при ударе о нагретую поверхность. При сравнительно низких температурах от 100 до 160 градусов Цельсия капли этанола смачивали субстрат. Дальнейшее увеличение температуры привело к пограничному состоянию жидкости, когда часть микроскопических капелек у основания большой капли начинали левитировать в слое пара. И, наконец, при температуре примерно в 200 градусов Цельсия, когда достигался эффект Лейденфроста, исследователи обнаружили, что нижняя поверхность капли образовывала кольцо по краям с вогнутостью посередине.  

Эффект Лейденфроста может приводить и к другим явлениям. Например, капли, которые левитируют на «паровой подушке», демонстрируют способность целенаправленно двигаться на подложке с рифленой структурой. Исследования, проведенные в 2010 году, показали, что причиной движения является неравномерное течение пара из под капли жидкости.

Автор: Александр Еникеев