Krople Leidenfrosta kontrolowane za pomocą … magnesu na lodówkę

Zespół francuskich naukowców dowiódł, że przy pomocy zewnętrznego pola magnetycznego można kontrolować trajektorię pojedynczych kropel paramagnetycznej cieczy – ciekłego tlenu – w temperaturze pokojowej. Odkrycie to może pomóc w rozwijaniu silnie hydrofobowych (odpychających od siebie cząsteczki wody) materiałów, jak również wspomóc badania nad układami o bardzo małym współczynniku tarcia mechanicznego.

Efekt Leidenfrosta, czyli „lewitacja” płynu

Krople ciekłego tlenu użyte w eksperymencie stanowią przykład kropel Leidenfrosta. Efekt Leidenfrosta występuje wówczas, gdy ciecz znajduje się w bezpośrednim kontakcie z dowolną powierzchnią, której temperatura jest znacznie wyższa w porównaniu z temperaturą wrzenia takiej cieczy. Zjawisko to powoduje wytworzenie izolującej warstwy pary zapobiegającej nagłemu wyparowywaniu kropel. Ponieważ pomiędzy kroplami a powierzchnią nie ma żadnego kontaktu, tarcie takiego układu jest praktycznie równe zeru, sprawiając, że krople poruszają się z dużymi prędkościami i w związku z tym są trudne do opanowania.

Pomimo że opisaną wyżej „lewitację płynu” odkryto już w 1960 roku i stosowano w niektórych gałęziach przemysłu, podstawowe zjawiska fizyczne rządzące tym procesem nie zostały dotychczas w pełni zbadane. Podczas ostatnich badań, David Quéré wraz ze współpracownikami z Ecole Polytechnique w Palaiseau, poddali analizie siły, którym ulegały krople ciekłego tlenu w temperaturze -183 ^oC, czyli w temperaturze wrzenia ciekłego tlenu. Zespół Quéré opracował metody kontrolowania ruchu kropel, badając jednocześnie ich zachowanie w zewnętrznym polu magnetycznym. Badania te stanowiły kontynuację wcześniejszych badań koncentrujących się na rozwijaniu fakturowanej powierzchni, dzięki której krople Leidenfrosta miałyby bez jakiegokolwiek wpływu czynników zewnętrznych poruszać się z bardzo dużymi prędkościami we wszystkich kierunkach w przestrzeni.

Konsekwencją przeprowadzonych badań było odkrycie, że trajektoria ruchu pojedynczych kropel paramagnetycznej cieczy może być kontrolowana przy użyciu zwykłego magnesu przyczepianego do drzwi lodówki, czy też szkolnej tablicy. Podczas doświadczenia, naukowcy wykorzystywali krople ciekłego tlenu, powstające wskutek napełniania metalowego pojemnika ciekłym azotem. „Krople tlenu tworzyły się w procesie kondensacji, na zewnątrz zbiornika”, wyjaśnił Quéré. Po wytworzeniu odpowiedniej ilości kropel, naukowcy umieszczali je następnie na szklanych płytkach, poniżej których znajdował się magnes.

Magnes na lodówkę a trajektoria kropel Leidenfrosta

Francuscy badacze odkryli, że magnes wywierał silny wpływ na ruch kropel. „Badany przez nas układ można w przybliżeniu opisać odwołując się do mechaniki nieba. Magnes możemy przyrównać do Słońca, które wpływa na trajektorię planet. W naszym przypadku rolę planet pełnią krople ciekłego tlenu. Ruch kropel nie odbywa się jednak po eliptycznych orbitach, jak w przypadku planet. Ich ruch jest bardziej skomplikowany, tworząc różnego rodzaju pętle”, powiedział Quéré.

Kolejny ciekawy aspekt wynikający z oddziaływania magnesu z kroplami ciekłego tlenu występował wtedy, gdy krople poruszały się bezpośrednio nad powierzchnią magnesu. Naukowcy odkryli, że ruch kropel ulegał spowolnieniu, zaś same krople były prawie całkowicie pułapkowane przez pole magnetyczne i kiedy tylko uwalniały się spod jego wpływu, ich kształt ulegał deformacji. Quéré przyznał, że takie zachowanie jest bardzo interesujące w znacznie szerszym kontekście fizycznym, ponieważ, jego zdaniem, deformacja kształtu kropel była powodowana transferem energii kinetycznej. „To zupełnie tak jak w przypadku kropel deszczu spadających na ziemię, tracących większą część posiadanej energii i ulegających deformacji pod wpływem uderzenia. Ten transfer energii jest niezwykle ciekawy i zależy od wielu czynników”. Quéré dodał, że potrafi zmieniać amplitudę tych deformacji poprzez zmianę siły działającej na krople tj. poprzez zmianę odległości magnesu od szklanej płytki.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com