你或許也目睹過這樣的場景：當將水倒入一個非常熱的平底鍋中時，水滴懸浮在鍋底的表面，隔著水蒸氣層在平底鍋的鍋底滑動。這種奇怪的物理現象被稱為萊頓弗羅斯特效應，其實，它對於一系列的工業和自然過程都很重要。
1756年，德國醫生約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）在《論普通水的性質》一文中對這種現象進行了首個描述。他發現當水接觸到比其沸點溫度高得多的表面時，液滴會立即蒸發，產生一層隔熱的蒸汽層，這層蒸汽會使液滴懸浮在表面之上。
雖然早在幾個世紀前我們就有了萊頓弗羅斯特效應的描述，但與之有關的特徵都仍存在謎題。比如在不同研究報告中，水蒸汽層的形成溫度具有顯著差異。這便是萊頓弗羅斯特效應的一個關鍵的未決問題：水蒸汽層的形成和消散溫度究竟是多少？
一些理論認為，這個溫度範圍取決於不同型別的金屬表面，甚至與水的含鹽量有關。現在，埃默裡大學的一個物理學家團隊開發了一種新的電技術來研究這種現象。
利用這種新的技術，他們證明了萊頓弗羅斯特水蒸氣層可以在遠低於其形成所需的溫度下維持。具體來說，他們發現萊頓弗羅斯特水蒸氣層在240℃左右形成，並在約140℃時消散。他們將研究結果發表在《物理評論快報》上，或許對物理學的多個領域都有其理論和實踐意義。
在過往的研究中，物理學家大多將關注點集中在測量蒸氣層的溫度和記錄液體與金屬表面之間的通量上，他們還沒有確切地發現蒸汽層最終是如何消散的。不過，他們已經觀察到的是，水蒸汽層的消散伴隨著液體與固體表面的接觸和迅速的爆炸性沸騰。
在新的研究中，研究團隊將關注點聚焦在萊頓弗羅斯特懸浮液滴的動力學，比如它們如何移動、振盪等等。這通常是在非常高的溫度下進行的。這給精確地描述水蒸氣層帶來了挑戰，因為水蒸氣層非常薄，且形成時間很短。
運用新開發的高速電氣技術，研究人員能夠以更精確的方式來測量蒸汽層的厚度和動力學。這是一種探測系統的新方法，簡單來說，他們將水蒸汽層當作電路的一部分，然後測量它們的電容，從而可以在水蒸氣層的形成過程中精確地檢測其厚度隨時間的變化。
這些影象顯示了在一個浸入在水中的熱的金屬圓柱形周圍的水蒸汽層的失效。水蒸汽層最初是在圓柱形棒的頂端失效，氣泡會在液體浸溼固體時迅速形成並垂直向上移動。第一張和最後一張影象之間大約間隔了1毫秒，這個金屬圓柱體的直徑為1.6釐米。| 圖片來源：Harvey, Harper & Burton
為了應用這種方法，研究人員用鈦、銅和黃銅製作了直徑不到一英寸的金屬圓柱體，然後在這個圓柱體上塗上了10微米的金箔，以防止金屬腐蝕。隨後，他們進行了一系列實驗，讓這些圓柱體受熱並浸入到含有一個電極的水浴中。當萊頓弗羅斯特蒸汽層形成時，一個電容器就產生了——其中一個極板是水浴中的電極，另一個極板是金屬圓柱體的表面。
除了收集與水蒸氣層有關的一些測量資料外，研究人員還用高速影片拍攝水蒸汽層從形成到系統自然冷卻至蒸汽層消散的整個過程。結果顯示，穩定的水蒸汽層的平均形成溫度為240℃，精確的溫度會根據金屬表面的型別變化。令人驚訝的是，他們發現，雖然水蒸汽層的形成溫度約為240℃，但無論是哪種金屬，也無論水中的含鹽量為多少，當溫度降至140℃之前，水蒸氣都不會消失。
這樣的結果證明，萊頓弗羅斯特水蒸氣層可以在比其形成所需的溫度低得多的溫度下持續存在，且它的失效點與蒸汽層本身的流體力學穩定性有關，而非物質特性。一旦系統溫度降到140℃以下，蒸汽層必定失效，這是你無從阻止的情況。也就是說，這一閾值似乎由是一種純粹的流體力學機制決定的，這一發現與以前的理論相反。
研究人員認為，這項工作中最值得一提的發現是，似乎存在一個“上限溫度”讓萊頓弗羅斯特水蒸汽層形成，以及一個“下限溫度”讓水蒸氣層失效。這是一個非常實用的發現，對於許多實驗和工業來說，瞭解這個失效點的動態都是很重要的。
此外，這項研究還對於探索像噴氣噴發這樣的現象的行星科學也很有價值。在自然界中，萊頓弗羅斯特水蒸氣層也可以在水與從海底火山上升的岩漿之間的介面上形成。因此我們在火星上甚至也可以觀察到這種效應，不過不是在液體中，而是在固態的二氧化碳塊中，這些固態的二氧化碳以乾冰的蒸汽沿著火星上的沙丘“衝浪”。一些研究人員提出，從二氧化碳為燃料的“萊頓弗羅斯特引擎”中收集的能量，有朝一日或許可以為人類在或許火星上定居提供能源。
不過，物理學家們現在還無法解釋究竟是什麼引發了蒸汽層的消失。研究人員表示，他們正在進行一系列的數值模擬，以瞭解蒸汽層的穩定性在低溫下是如何消失的。另外，新設計的高速電氣技術還將可以用於繼續探索萊頓弗羅斯特效應的奧秘，從而進一步地描述這個效應。
#創作團隊：
編譯：小雨
#參考來源：
https://news.emory.edu/features/2021/09/esc-leidenfrost-effect-harvey-burton/index.html
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.104501
https://phys.org/news/2021-09-unveils-minimum-temperature-droplets-levitating.html
