Une étude révèle que le destin des gouttelettes de Leidenfrost dépend de leur taille

En 1756, un scientifique allemand nommé Johann Gottlob Leidenfrost a signalé son observation d'un phénomène inhabituel. Normalement, l’eau éclaboussée sur une poêle très chaude grésille et s’évapore très rapidement. Mais si la température de la casserole est bien au-dessus du point d'ébullition de l'eau, des "gouttes luisantes ressemblant à du vif-argent" se formeront et glisseront à la surface. C'est ce qu'on appelle "l'effet Leidenfrost" en son honneur.

Au cours des 250 années qui ont suivi, les physiciens ont proposé une explication viable à cette situation. Si la surface est à au moins 400 degrés Fahrenheit (bien au-dessus du point d'ébullition de l'eau), des coussins de vapeur d'eau ou de vapeur se forment en dessous de ceux-ci, les maintenant en lévitation. L'effet Leidenfrost fonctionne également avec d'autres liquides, y compris les huiles et l'alcool, mais la température à laquelle il se manifeste sera différente. Dans un 2009 À bas les mythes Dans cet épisode, par exemple, les animateurs ont montré comment on pouvait mouiller sa main et la plonger très brièvement dans du plomb fondu sans se blesser, grâce à cet effet.

Mais personne n’avait été en mesure d’identifier la source du bruit de craquement accompagnant Leidenfrost. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques a comblé cette dernière lacune dans nos connaissances avec un article récent de Mathai et al. dans les progrès de la science.

La réponse: cela dépend de la taille de la gouttelette. De plus petites gouttes vont glisser sur la surface et s'évaporer, tandis que les plus grosses explosent avec cette fissure révélatrice. "Cela répond à la question vieille de 250 ans de savoir ce qui produit ce son craquant", a déclaré la co-auteur Varghese Mathai, chercheuse postdoctorale à la Brown University. "Nous n'avons trouvé aucune tentative antérieure dans la littérature pour expliquer la source du son de la fissure, c'est donc une question fondamentale à laquelle nous avons répondu." Les connaissances acquises pourraient un jour permettre de contrôler l’effet pour une application dans des systèmes de refroidissement ou de transport de particules ou pour des techniques de transport et de dépôt de particules pour la fabrication microélectronique.

Le phénomène continue de fasciner les physiciens. Par exemple, en 2018, des physiciens français ont découvert que les gouttes ne roulaient pas simplement sur un coussin de vapeur; tant qu'ils ne sont pas trop gros, ils se propulsent également. Cela est dû à un déséquilibre dans le flux de fluide dans les gouttes de Leidenfrost, agissant comme un petit moteur interne. Les grosses gouttes présentaient un écoulement équilibré, mais à mesure que les gouttes s'évaporaient, devenant plus petites (environ un demi-millimètre de diamètre) et plus sphériques, un déséquilibre des forces se développait. Les gouttes ont alors roulé comme une roue, aidées par une sorte d’effet "à cliquet" résultant d’une inclinaison vers le bas dans la même direction que le fluide dans la gouttelette s’écoulait. Les physiciens français ont surnommé leur découverte une "roue de Leidenfrost".

Pour leur étude récente, Mathai et al. voulait comprendre d'où venait le craquement. Ils ont donc installé un ensemble de caméras et de microphones à haute vitesse pour surveiller les gouttes individuelles d’éthanol lorsqu’elles tombaient sur une surface chauffée au-dessus du seuil de Leidenfrost. Les gouttes de Leidenfrost rétrécissent progressivement avant de rebondir sur la surface et de s’évaporer. Cela se produit parce qu'ils deviennent si légers que la vapeur qui les entoure a un impact beaucoup plus fort, les lançant efficacement dans les airs.

Les scientifiques chinois avaient précédemment observé la même chose dans leurs expériences, mais seulement pour les petites gouttes inférieures à un certain diamètre. [corrigée] Mathai et al. ont constaté que si une goutte commençait plus grosse (un peu plus d’un millimètre de diamètre ou plus), elle ne rapetissait pas à une taille suffisamment petite pour voler hors de la surface. Au lieu de cela, ils descendent vers la surface chaude en émettant une forte fissure au contact.

Le coupable dans ce cas est des contaminants particulaires. Tout liquide les aura, mais les plus grosses gouttes commenceront par une concentration plus élevée de contaminants. Lorsque les gouttelettes se rétractent, la concentration de contaminants augmente. Les grosses gouttelettes se terminent à une concentration si élevée que les particules forment lentement une sorte de coquille autour de la gouttelette. Cette coquille interfère avec le coussin de vapeur qui retient la goutte, et elle explose lorsqu'elle frappe la surface. Et à mesure que le niveau de contaminants augmente, la taille moyenne des gouttes lorsqu'elles émettent le son de craquement augmente également.

EST CE QUE JE: Progrès de la science, 2019. 10.1126 / sciadv.aav8081 (À propos des DOI).