液體懸浮的奧秘：神奇的萊頓弗羅斯特效應(yīng)

萊頓弗羅斯特效應(yīng)

萊頓弗羅斯特效應(yīng)是指當(dāng)水接觸到比其沸點溫度高得多的物體時，會在底部形成一層隔熱的水蒸氣，水蒸氣會使水滴懸浮在物體表面之上。

舉一個通俗直觀的例子，取一塊高溫鐵板，在其上方開始滴落水珠，我們會發(fā)現(xiàn)水珠并沒有立即蒸發(fā)，而是滾動一段時間后才逐漸消失。這就是萊頓弗羅斯特效應(yīng)在起作用。水珠之所以沒有立即蒸發(fā)，是因為最先接觸到高溫表面的水分會立即汽化為一層水蒸氣，并會產(chǎn)生一個向上的力，使水珠被水蒸氣層托舉起來。由于水蒸氣的導(dǎo)熱性能較差，這時的水蒸氣相當(dāng)于一層保護膜，起到了減緩汽化的作用，所以水珠才會滾動一段時間后才蒸發(fā)。

萊頓弗羅斯特點

為什么滴落到鐵鍋中的水珠會立刻蒸發(fā)而不會出現(xiàn)懸浮的現(xiàn)象呢？這是因為鐵鍋表面溫度并沒有達到萊頓弗羅斯特點。萊頓弗羅斯特點是液體懸浮的臨界條件。

萊頓弗羅斯特點是指液體進行穩(wěn)定薄膜沸騰所需的最低溫度，即液體形成穩(wěn)定水蒸氣薄膜的最低溫度。普通水的萊頓弗羅斯特點會受到高溫物體材料、水中雜質(zhì)以及水溫等因素的影響而發(fā)生變化。因此，不同液體的萊頓弗羅斯特點是不同的。

“徒手拍鐵水”和“踏火”儀式

一位來自亞美尼亞的鑄造工人徒手觸摸發(fā)紅的鐵水竟然安然無恙；在我國民俗“踏火”儀式上，表演者可以赤腳走在通紅的炭火上。難道他們都習(xí)得了像鐵砂掌一樣的功夫嗎？其實，這是因為他們都巧用了萊頓弗羅斯特效應(yīng)。鐵水和炭火的溫度都遠遠高于人體表面溫度，人體手掌和腳部的汗液會與高溫物體迅速接觸，形成水蒸氣，阻隔人體和高溫物體，避免人體受到傷害。

然而，人體組織是十分脆弱的，在上述兩個過程中，人體與高溫物體的接觸只有短短幾秒鐘，一旦停留時間過長，人體表面的水分不足，難以產(chǎn)生水蒸氣層，就會失去保護作用，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的后果。因此，大家切不可輕易模仿和嘗試。

無涂層不粘鍋

在日常生活中，一些超市店員會推銷他們的鍋沒有涂層，安全有保障，還會現(xiàn)場展示無油煎雞蛋，表示他們的產(chǎn)品不粘鍋，然而，顧客買回家后卻發(fā)現(xiàn)被騙了，自己做飯的時候還是會出現(xiàn)粘鍋的現(xiàn)象，這是為什么呢？

其實，店員也利用了萊頓弗羅斯特效應(yīng)的原理。店員會先把鍋進行高溫加熱，雞蛋與鍋之間溫差大，產(chǎn)生了萊頓弗羅斯特效應(yīng)。顧客自己做飯時鍋的溫度往往不會很高，鍋的表面溫度并沒有達到萊頓弗羅斯特點，食物與鍋之間沒有水蒸氣的隔絕，便會出現(xiàn)粘鍋的現(xiàn)象。

萊頓弗羅斯特效應(yīng)的新發(fā)現(xiàn)

距萊頓弗羅斯特效應(yīng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)200 多年了，但是科學(xué)家們對它的探索并沒有止步。近年來，科學(xué)家們對萊頓弗羅斯特效應(yīng)有了許多新發(fā)現(xiàn)。

水蒸氣層形成和消散的臨界溫度

在之前的許多研究中，水蒸氣層形成與消散的臨界溫度差異明顯，部分研究者認(rèn)為臨界溫度的范圍主要與不同類型的金屬表面和水的含鹽量相關(guān)。研究者并沒有找到水蒸氣層消散的具體原因，但是通過實驗發(fā)現(xiàn)，水蒸氣層的消散往往伴隨著液體與固體表面的接觸和爆炸性沸騰。

2021 年，埃默里大學(xué)的物理研究團隊通過一種新型的電技術(shù)來研究這一關(guān)鍵問題。最終，他們將實驗結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》上，研究發(fā)現(xiàn)萊頓弗羅斯特效應(yīng)的水蒸氣層可以在遠低于其形成所需的溫度下維持。水蒸氣層形成的臨界溫度約為240 ℃，當(dāng)溫度低于140 ℃時，水蒸氣層消散。然而，到目前為止，科學(xué)家們還沒有找到導(dǎo)致水蒸氣層消散的根本原因。

三重萊頓弗羅斯特效應(yīng)

最新研究發(fā)現(xiàn)，萊頓弗羅斯特效應(yīng)不僅可以發(fā)生在液體與金屬物體之間，還可以在兩種液體之間產(chǎn)生相互反彈的現(xiàn)象。研究人員認(rèn)為這種反彈也是由液體形成水蒸氣層導(dǎo)致的。

研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)：在高溫鋁板上方滴落兩種沸點相近的液體時，液體會快速相融；當(dāng)?shù)温鋬煞N沸點相差大的液體時，會出現(xiàn)液體之間相互反彈的現(xiàn)象。該研究團隊將這種現(xiàn)象稱為“三重萊頓弗羅斯特效應(yīng)”，即兩種液體接觸熱表面時會有三個萊頓弗羅斯特效應(yīng)在相互作用，其中兩個分別存在于液體和熱表面之間，還有一個存在于兩種液體之間。

低溫萊頓弗羅斯特效應(yīng)

研究人員為了控制萊頓弗羅斯特效應(yīng)的發(fā)生，往往會研究如何調(diào)整臨界溫度。由我國大連理工大學(xué)趙磊教授等人組成的研究團隊突破了以往萊頓弗羅斯特效應(yīng)需要較高的臨界溫度（約240 ℃）的限制，實現(xiàn)了130 ℃左右溫度下的液體懸浮。在低溫萊頓弗羅斯特效應(yīng)中，液體運動阻力大大降低，能夠?qū)崿F(xiàn)液體的靈活操控和運動。這項技術(shù)在芯片冷卻、表面除污以及納米材料合成等方面具有極高的應(yīng)用價值。

萊頓弗羅斯特效應(yīng)在工程和微流體等領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。人類對于萊頓弗羅斯特效應(yīng)的探索還遠沒有停止，相信在不久的將來，水蒸氣層消失的原因揭秘、液體間萊頓弗羅斯特效應(yīng)的深入研究和更低溫的萊頓弗羅斯特效應(yīng)都會一一實現(xiàn)。