Bilder von b) direkter Koaleszenz und c) aufeinanderfolgendem Abprallen. (Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021) Oberhalb von 193 °C (379 °F) passiert mit Wasser in einer Pfanne etwas fast Magisches.
Beim sogenannten Leidenfrost-Effekt schweben die Tropfen auf einer Dampfschicht über der Oberfläche, wenn man Wasser auf eine heiße Oberfläche sprüht. Sie bleiben ein oder zwei Momente länger als bei einer niedrigeren (aber immer noch über dem Siedepunkt liegenden) Temperatur und gleiten über die Pfanne, bevor sie verdunsten.
Dies passiert bei allen Arten von Flüssigkeiten, solange die Temperaturen viel höher sind als der Siedepunkt der jeweiligen Flüssigkeit. Aber Forscher haben gerade etwas noch Interessanteres entdeckt – dass dieser Effekt sogar zwischen zwei Tröpfchen unterschiedlicher Flüssigkeiten auftreten kann, wodurch diese aneinander „abprallen“.
Das Forscherteam unter der Leitung des Erstautors, des Physikers Felipe Pacheco-Vázquez von der Universität Puebla, untersuchte Flüssigkeiten wie Wasser, Ethanol, Methanol, Chloroform usw Formamid , und analysierte, ob zwei Tropfen jeder Flüssigkeitskombination sofort zu einem einzigen Tropfen „verschmelzen“ oder „nacheinander abprallen“ (ein paar Mal aneinander abprallen).
Dazu verwendeten sie eine kleine Metallplatte mit einer leichten Neigung nach innen und erhitzten sie auf 250 Grad, was deutlich über den Siedepunkten der Flüssigkeiten lag (die auf der Höhe des Labors von 50 °C für Aceton bis zu 146 °C für Formamid reichten). .
Dann wurde ein großer klarer Tropfen einer Flüssigkeit mit einem kleinen blau gefärbten Tropfen versetzt und sie beobachteten, was passierte. Einige – wenn es sich bei beiden Tropfen um die gleiche Flüssigkeitsart oder um Flüssigkeiten mit ähnlichem Siedepunkt handelte – verschmolzen sofort, nachdem sie am tiefsten Punkt der Platte ineinander gerutscht waren.
Andere ließen sich Zeit, bevor sie sich zusammenschlossen. Sie ähnelten stark dem kleinen Tropfen, der auf dem großen aufprallte. Sie können dies zwischen Ethanol (dem kleinen Tropfen) und Wasser (dem großen Tropfen) unten im Video sehen:
„Die direkte Koaleszenz dauert einige Millisekunden und wurde hauptsächlich bei Tropfen derselben Flüssigkeit (z. B. Wasser-Wasser) oder Flüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften (z. B. Ethanol-Isopropanol) beobachtet.“ schreibt das Team in einem neuen Papier.
„Im Gegensatz dazu bleiben Tropfen mit großen Unterschieden in den Eigenschaften (z. B. Wasser-Ethanol oder Wasser-Acetonitril) mehrere Sekunden oder sogar Minuten lang auf und ab, während sie verdampfen, bis sie eine kritische Größe erreichen, um schließlich zusammenzuwachsen.“
Sobald die Flüssigkeit, die schneller verdunstet, auf eine bestimmte Größe schrumpft, verbinden sich die beiden Tropfen und „platzen“ dann – Sie haben eine etwas größere Mischung aus Flüssigkeiten, die herumschwirrt, statt zwei.
Aus der folgenden Tabelle können Sie ersehen, ob eine der beiden Flüssigkeiten koaleszierte (c), zurückprallte (r), eine Kombination aus beidem eintrat (c/r) oder in besonderen Fällen als getrennte Phasen verblieb, weil sie nicht gemischt werden können ( S).
Ergebnis der Kollision zweier Leidenfrost-Tropfen. (Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021)
Das Team vermutet, dass es sich bei diesem Abprallen tatsächlich um einen „dreifachen Leidenfrost-Effekt“ handelt, bei dem die Tropfen nicht nur eine isolierende Dampfschicht von der Oberfläche der heißen Platte bilden, sondern auch zwischen den beiden Tröpfchen.
„Die Sprungdynamik entsteht, weil sich die Tropfen nicht nur im Leidenfrost-Zustand mit dem Substrat befinden, sondern im Moment der Kollision auch zwischen ihnen ein Leidenfrost-Effekt auftritt.“ schreibt das Team.
„Dies geschieht aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedetemperaturen, und daher fungiert der heißere Tropfen als heiße Oberfläche für den Tropfen mit niedrigerem Siedepunkt und erzeugt gleichzeitig drei Kontaktzonen im Leidenfrost-Zustand.“ Wir nannten dieses Szenario den dreifachen Leidenfrost-Effekt.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .