当你在煎锅里煎东西的时候，一些水滴掉进锅里，你可能注意到这些水滴在热油膜上四处游动。现在，麻省理工学院的研究人员首次分析和理解了这个看似微不足道的现象，并可能对微流体装置、传热系统和其他有用的功能产生重要影响。
研究人员已经确定了为什么液滴在加热的油性表面上的速度比在裸金属上的速度快100倍。图片中是液滴的各种照片，有助于揭示导致快速运动的机制。图片来源:研究人员提供，麻省理工学院新闻编辑
热表面上的一滴沸水有时会漂浮在一层薄薄的蒸汽膜上，这是一种被广泛研究的现象，被称为莱顿弗罗斯特效应。因为它悬浮在一个蒸汽垫上，所以液滴在表面上移动时摩擦力很小。如果表面涂有热油，热油的摩擦比莱顿弗罗斯特液滴下的蒸汽膜大得多，那么热液滴的移动速度应该会慢得多。但是，与直觉相反的是，麻省理工学院的一系列实验显示了相反的效果:油上的液滴比裸金属上的液滴蒸发得更快。
这种效应使液滴在加热的油性表面上的速度比在裸金属上的速度快10到100倍，有可能用于自清洁或除冰系统，或用于生物医学和化学研究和测试的微流体设备的微管中推动少量液体。该研究结果发表在期刊的一篇论文中物理评论快报，由研究生Victor Julio Leon和机械工程教授Kripa Varanasi撰写。
瓦拉纳西说，在之前的研究中，瓦拉纳西和他的团队表明，利用这种现象来实现一些潜在的应用是可能的，但新的工作，产生如此高的速度(大约快50倍)，可能会开辟更多的新用途。
经过长时间艰苦的分析，里昂和瓦拉纳西能够确定这些液滴从热表面快速喷射的原因。在温度高、油粘度大、油厚度合适的条件下，油会在每个水滴的外面形成一种薄薄的覆盖物。当液滴加热时，沿着液滴和油的界面会形成微小的蒸汽泡。由于这些微小的气泡沿着液滴底部随机聚集，不对称就形成了，气泡下方较低的摩擦力使液滴与表面的附着松动，并将其推离。
油性薄膜的作用就像气球的橡胶，当微小的蒸汽气泡破裂时，它们会产生一种力量“气球飞起来了，因为空气从一边出去了，产生了动量转移。”瓦拉纳西说。没有了油罩，汽泡就会从水滴中向四面八方流出，从而阻止了自身推进，但隐形效果就像气球的外壳一样将它们固定住。
这一现象听起来很简单，但事实证明它依赖于发生在不同时间尺度上的事件之间复杂的相互作用。
这种新分析的自喷射现象取决于许多因素，包括液滴的大小、油膜的厚度和粘度、表面的导热系数、系统中不同液体的表面张力、油的类型和表面的纹理。
在他们的实验中，他们测试的几种油的最低粘度大约是周围空气的100倍。因此，它可以使气泡移动得比莱顿弗罗斯特效应的气垫上慢得多。“这让我们知道，这颗液滴移动得更快是多么令人惊讶，”利昂说。
当沸腾开始时，气泡会从不位于中心的成核位置随机形成。气泡的形成将增加在那一边，导致推进在一个方向。到目前为止，研究人员还无法控制这种随机诱导推进的方向，但他们正在研究未来控制方向的一些可能方法。“我们知道如何在控制方向上触发推进，”利昂说。
值得注意的是，测试表明，尽管表面的硅片油膜只有10到100微米厚——大约是一根头发的厚度——但它的行为与薄膜的方程不匹配。相反，由于薄膜的蒸发作用，它实际上就像一个无限深的油池。莱昂说:“我们对这一发现感到震惊。”虽然薄膜应该会使水滴粘在一起，但无限大的池子使水滴的摩擦力小得多，使它比预期移动得更快，利昂说。
这种效果取决于这样一个事实:微小气泡的形成比热通过油膜的传递要快得多，大约快1000倍，为液滴内的不对称性积累留下了充足的时间。当蒸汽泡最初在油水界面形成时，它们比液滴中的液体绝缘得多，导致油膜中出现显著的热扰动。这些扰动导致液滴振动，减少摩擦并增加蒸发速率。
莱昂说，使用每秒10万帧的摄像机，用极端高速的摄影技术揭示了这种快速效果的细节。“你可以看到表面的波动，”里昂说。
最初,瓦拉纳西说,“我们在多个层面上被难住了，因为效果是如此出乎意料。”这是一个看似简单的问题，其实相当复杂的答案，但它确实创造了这种快速推进。”
在实践中，这种效果意味着在某些情况下，对表面进行适当的加热，加上适当的油性涂层，就可以从表面清除腐蚀性的水垢。更进一步，一旦研究人员对方向性有了更多的控制，该系统就有可能取代微流体设备中的一些高科技泵，在正确的时间推动液滴通过正确的管道。这在微重力情况下可能特别有用，因为普通的泵不能正常工作。
瓦拉纳西说，还可以在液滴上附加有效载荷，创造一种微型机器人输送系统。他说，虽然他们的测试集中在水滴上，但它可能适用于许多不同种类的液体和升华固体。
这项研究得到了美国国家科学基金会的支持。欧洲杯线上买球
来源:https://web.mit.edu/