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60 秒科学
材料科学
60-Second Science

水滴以不可能的速度滑过油的奥秘

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水滴在薄油膜上开始沸腾的假色视图。信用:维克多莱昂

在研究人员研制出超慢动作相机之前,这些自推进液滴在热油表面上的速度似乎违反了物理学。

莎拉·维塔克: 这是 科学美国人的 60 秒科学。我是莎拉·维塔克。

如果您精通厨房,您可能知道将不锈钢平底锅调至合适温度的“试水”方法。

[剪辑:嘶嘶声]

您所要做的就是在锅中加热时在锅中滴几滴水。当平底锅达到合适的温度时,水滴不会蒸发,而是形成珠子并在平底锅上滑行。

你必须在一个空盘子里做这个测试。那是因为,正如我们中间不熟悉厨房的人可能已经学会了艰难的方法,在热锅中混合油和水是使燃烧的热液体飞扬的秘诀。当水珠在你的空锅里滑来滚去时发生的现象已经被理解了很长时间。这是博士。 克里帕瓦拉纳西 来自麻省理工学院机械工程系解释一下:

克里帕瓦拉纳西: 它们漂浮在蒸气层上,蒸气垫是由于液体蒸发而形成的。因此它们可以在几乎没有摩擦的情况下移动:这被称为莱顿弗罗斯特状态。然后,如果您处于较低的温度,您可以开始使液滴沸腾,但液滴会粘在表面上。

维塔克: 但最近瓦拉纳西博士和他的研究生维克多·莱昂开始更仔细地研究热油和水的相互作用。 

瓦拉纳西: 我们在这里发现非常有趣的是:当你有一层薄薄的油层时,上面有水滴,你仍然可以获得这两种状态。但在这两者之间,还有另一种状态,它会导致它在地面上以非常高的速度比赛。

慢动作视频显示水滴在 300 多毫秒内穿过涂有油的硅晶片。信用:维克多莱昂

维塔克: 实验非常简单,你可以在你的厨房里进行。他们只是使用顶部有金属板或硅片的热板,然后是油(他们使用硅油),然后是注射器来精确放置水滴。他们做的比在厨房里做的更精确的一件事是,他们通过旋涂来涂抹油,这一过程可以产生非常薄且非常均匀的表面。它们的油层大约有 10 微米,大约有头发的宽度。他们使用高速成像设备来捕捉结果。

他们在这些视频中看到的是,当液滴被放置在热油上时,它们会以非常高的速度向随机方向推进。 [Victor Julio Leon 和 Kripa K. Varanasi, 加热薄油膜上沸腾液滴的自推进]

关于这一点的几件事非常令人惊讶。首先,液滴推动自身。这是如何发生的很快就很清楚了。

瓦拉纳西: 考虑这一点的一种简单方法是称为动量转移。所以如果你拿一个气球往里面吹空气,然后你把它放出来,气球就会到处飞,对吧? 

维塔克: 与气球类似,热板上发生的事情是油在液滴周围形成薄层。石油斗篷充当气球。里面的水沸腾并变成蒸汽。最终,这团蒸汽从油中爆破,就像放开气球一样推动下落。

令他们困惑的第二件事是,这些水滴比悬浮的莱顿弗罗斯特水滴要快得多。事实上,速度要快 10 到 100 倍。这很奇怪,因为液滴仍然与油性表面接触。与悬浮下降相比,您可能希望减慢速度。

以每秒 100,000 帧的速度拍摄的视频显示,油涂层水滴内的蒸汽高速喷射较小的水滴。信用:维克多莱昂

维克多·莱昂: 所以我们很困惑,因为液滴的速度实际上似乎在无限的液体池上移动。 

维塔克: 那是进行实验的莱昂。他的意思是,当他根据看到水滴移动的速度进行逆向计算时,唯一的计算方法就是让水滴落在无限深的油池上。但实际上油只有 10 微米厚,这应该会导致液滴粘连——很多。从物理学的角度来看,油表面应该具有的摩擦量取决于其深度。把它想象成从瓶子里倒蜂蜜。薄膜就像从瓶盖上的小开口倾泻而出——蜂蜜移动得非常缓慢。如果您完全取下盖子 - 蜂蜜的摩擦力会更小,倒出的速度也会更快。如果您对 10 微米厚的油进行计算,则液滴的移动速度应该会更慢。

莱昂: 我的意思是,那是我感觉的时刻之一,不可能,这太疯狂了。

维塔克: 但更令人惊讶的是解释。当他们观看超级慢动作视频时,就出现了这种情况。 

莱昂: 我们实际上看到液滴表面以这个频率移动,这表明它是由于沸腾事件(如冒泡)而振动的。

维塔克: 因此,当液滴内的水沸腾时,就会形成气泡。困在油膜内的气泡导致液滴从完美的圆形变为不对称形状之间的快速变化。它看起来像是一种混乱的振动。这意味着液滴的底部正在不同的波浪形状之间变化,不再像保持完美圆形液滴那样与油完全接触。所以摩擦力要小得多。而且下降速度可能非常快。

瓦拉纳西: 这些是你在非常复杂的物理系统中看到的东西。所以我们就像,首先,从一开始就很难过,后来很高兴能弄清楚这一点。 

维塔克: 但他们还没有弄清楚这一切。他们接下来特别想研究一个问题:

瓦拉纳西: 但是为什么蒸汽会从一侧喷出,对吗?或者它如何选择?这对我们来说仍然是个谜。我们正在解决这个问题。因为一旦我们知道我们可以将水滴的运动引导到我们想要的方式。

维塔克: 如果他们能够利用这种力量,这些力量可以用于许多不同的应用。从处理用于生物技术应用的微量液体,到清洁水处理中形成的薄膜,再到在其他行星的微重力下移动液体,甚至携带分子以制造微型机器人输送系统。而这一切都始于煎锅中的一闪而过的洞察力。

谢谢收听。为了 科学美国人的 60 秒科学,我是 Sarah Vitak。 

[以上文字是本播客的抄录.]

关于作者

莎拉·维塔克 是一位制造商、科学家、广播制作人、作家、科学传播者和艺术家。她目前是麻省理工学院 Sculpting Evolution 小组的实验室经理。媒体实验室。


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