Zeitlupenvideo von kochendem Eis, ein Forschungsprojekt des Nature-Inspired Fluids and Interfaces Lab an der Virginia Tech.
Spritzen Sie ein paar Tropfen Wasser auf eine sehr heiße, brutzelnde Pfanne und sie schweben und gleiten mit wilder Hingabe um die Pfanne. Physiker der Virginia Tech haben herausgefunden, dass dies auch erreicht werden kann, indem man eine dünne, flache Eisscheibe auf eine erhitzte Aluminiumoberfläche legt, so ein neuer Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review Fluids veröffentlicht wurde. Der Haken: Es muss eine viel höhere kritische Temperatur erreicht werden, bevor die Eisscheibe schwebt.
Wie wir bereits berichtet haben, berichtete 1756 ein deutscher Wissenschaftler namens Johann Gottlob Leidenfrost über seine Beobachtung des ungewöhnlichen Phänomens. Normalerweise, bemerkte er, brutzelt Wasser, das auf eine sehr heiße Pfanne spritzt, und verdunstet sehr schnell. Wenn die Temperatur der Pfanne jedoch weit über dem Siedepunkt des Wassers liegt, bilden sich “glänzende Tropfen, die Quecksilber ähneln” und gleiten über die Oberfläche. Ihm zu Ehren wird es „Leidenfrost-Effekt“ genannt.
In den folgenden 250 Jahren fanden Physiker eine brauchbare Erklärung dafür, warum dies auftritt. Wenn die Oberfläche mindestens 400 Grad Fahrenheit hat (deutlich über dem Siedepunkt von Wasser), bilden sich unter ihnen Kissen aus Wasserdampf oder Dampf, die sie in der Schwebe halten. Der Leidenfrost-Effekt funktioniert auch mit anderen Flüssigkeiten, einschließlich Ölen und Alkohol, aber die Temperatur, bei der er sich manifestiert, ist unterschiedlich.
Das Phänomen fasziniert Physiker bis heute. So entdeckten französische Physiker 2018, dass die Tropfen nicht nur auf einem Dampfkissen dahingleiten; solange sie nicht zu groß sind, treiben sie sich auch selbst an. Das liegt an einem Ungleichgewicht im Flüssigkeitsfluss innerhalb der Leidenfrost-Tropfen, der wie ein kleiner interner Motor wirkt. Große Tropfen zeigten einen ausgeglichenen Fluss, aber als die Tropfen verdampften, kleiner (etwa ein halber Millimeter im Durchmesser) und kugelförmiger wurden, entwickelte sich ein Kräfteungleichgewicht. Dies führte dazu, dass die Tropfen wie ein Rad rollten, unterstützt durch eine Art „Ratscheneffekt“ durch eine Abwärtsneigung in die gleiche Richtung, in der die Flüssigkeit im Tropfen floss. Die französischen Physiker nannten ihre Entdeckung ein „Leidenfrost-Rad“.
Im Jahr 2019 identifizierte ein internationales Team von Wissenschaftlern schließlich die Quelle des begleitenden Knackgeräuschs, von dem Leidenfrost berichtete. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass es auf die Größe des Tröpfchens ankommt. Kleinere Tropfen rutschen von der Oberfläche und verdunsten, während größere Tropfen mit diesem verräterischen Knall explodieren. Schuld daran sind Partikelverunreinigungen, die in fast jeder Flüssigkeit vorhanden sind. Größere Tropfen beginnen mit einer höheren Konzentration an Verunreinigungen, und diese Konzentration nimmt zu, wenn die Tröpfchen schrumpfen. Sie landen in einer so hohen Konzentration, dass die Partikel langsam eine Art Hülle um das Tröpfchen bilden. Diese Hülle stört das Dampfkissen, das den Tropfen in der Luft hält, und explodiert, wenn es auf die Oberfläche trifft.
Und letztes Jahr stellten MIT-Wissenschaftler fest, warum die Tröpfchen 100-mal schneller über eine erhitzte ölige Oberfläche geschleudert werden als auf blankes Metall. Unter den richtigen Bedingungen bildete sich außerhalb jedes Tröpfchens eine dünne Schicht wie ein Mantel. Als das Tröpfchen heißer wurde, begannen sich zwischen dem Tröpfchen und dem Öl winzige Wasserdampfblasen zu bilden, die sich dann entfernten. Nachfolgende Blasen bildeten sich typischerweise in der Nähe der gleichen Stellen und bildeten eine einzelne Dampfspur, die dazu diente, das Tröpfchen in eine bevorzugte Richtung zu schieben.
Aber kann man mit Eis den Leidenfrost-Effekt erzielen? Das wollte das Team von Virginia Tech herausfinden. „Es gibt so viele Artikel über das Schweben von Flüssigkeiten, dass wir die Frage zum Schweben von Eis stellen wollten“, sagte Co-Autor Jonathan Boreyko. „Es begann als Kuriositätsprojekt. Was unsere Forschung antreibt, war die Frage, ob es möglich ist, einen dreiphasigen Leidenfrost-Effekt mit Feststoff, Flüssigkeit und Dampf zu erzielen.“