Spruzza un po' d'acqua su una padella calda, e vedrai spesso le goccioline sfrigolare ed evaporare rapidamente. Ma se davvero alzi il fuoco, succede qualcosa di diverso. Le goccioline rimangono intatte, ballando e sfrecciando sulla superficie in quello che è noto come l'effetto Leidenfrost. Ora un team di ricercatori ha dettagliato come queste goccioline di Leidenfrost incontrano il loro destino finale.

In un articolo pubblicato su Progressi scientifici , il team mostra che le goccioline di Leidenfrost che iniziano piccole alla fine schizzano via dalla superficie calda e scompaiono, mentre le gocce più grandi esplodono violentemente con un udibile "crack". Il fatto che la gocciolina esploda o scappi alla fine dipende dalla sua dimensione iniziale e dalla quantità di contaminanti solidi - polvere ambientale o particelle di sporco - che contiene.

Oltre a spiegare lo scricchiolio che Johann Gottlob Leidenfrost riferì di aver udito nel 1756 quando documentò il fenomeno, i risultati potrebbero rivelarsi utili in dispositivi futuri - sistemi di raffreddamento o dispositivi di trasporto e deposizione di particelle - che potrebbero sfruttare l'effetto Leidenfrost.

"Questo risponde alla domanda di 250 anni su cosa produce questo suono stridente, " disse Varghese Mathai, un ricercatore post-dottorato presso la Brown University e co-autore dello studio. "Non siamo riusciti a trovare alcun tentativo precedente in letteratura per spiegare la fonte del suono del crack, quindi è una domanda fondamentale risposta."

La ricerca, pubblicato in Progressi scientifici , era una collaborazione tra Mathai alla Brown, la co-autrice Sijia Lyu della Tsinghua University e altri ricercatori belgi, Cina e Paesi Bassi.

Negli anni trascorsi da quando Leidenfrost ha osservato questo comportamento peculiare nelle goccioline d'acqua, gli scienziati hanno scoperto la fisica di come si verifica il fenomeno della levitazione. Quando una goccia di liquido entra in contatto con una superficie ben oltre il punto di ebollizione del liquido, un cuscino di vapore si forma sotto la gocciolina. Quel cuscino di vapore sostiene il peso della goccia. Il vapore isola anche la goccia e ne rallenta la velocità di evaporazione, consentendole di scivolare come se fosse su un tappeto magico. Per l'acqua, questo accade quando incontra una superficie superiore a circa 380 gradi Fahrenheit. Questa temperatura di Leidenfrost varia per altri liquidi come oli o alcol.

Qualche anno fa, un altro gruppo di ricerca ha osservato il destino finale delle minuscole gocce di Leidenfrost, mostrando che si riducono costantemente di dimensioni e poi si lanciano improvvisamente dalla superficie e scompaiono. Ma questo non spiegava il suono scoppiettante udito da Leidenfrost, e nessuno aveva fatto uno studio dettagliato per vedere da dove provenisse quel suono.

Per questo nuovo studio, i ricercatori hanno installato telecamere a velocità di registrazione fino a 40, 000 fotogrammi al secondo e microfoni sensibili per osservare e ascoltare singole gocce di etanolo al di sopra delle loro temperature di Leidenfrost. Hanno scoperto che quando le goccioline iniziavano relativamente piccole, si sono comportati nel modo in cui i ricercatori precedenti avevano osservato:restringendosi e poi scappando. Ad un certo punto, quando queste goccioline diventano sufficientemente piccole e leggere, il flusso di vapore intorno a loro li fa precipitare improvvisamente nell'aria dove finalmente scompaiono.

Ma quando le gocce iniziano con un diametro di un millimetro o più, lo studio ha mostrato, succede qualcosa di molto diverso. Le gocce più grandi si restringono costantemente, ma non diventano abbastanza piccoli da volare via. Anziché, le goccioline più grandi affondano costantemente verso la superficie calda sottostante. Alla fine la goccia entra in contatto con la superficie, dove esplode con uno schianto udibile. Allora perché quelle goccioline più grandi non si rimpiccioliscono abbastanza da prendere il volo come le goccioline che iniziano più piccole? Quella, dicono i ricercatori, è una questione di contaminanti.

Nessun liquido è mai perfettamente puro. Hanno tutti minuscole particelle contaminanti:polvere e altre particelle che influenzano il processo di Leidenfrost. Mentre le goccioline si restringono, la concentrazione di particelle contaminanti al loro interno aumenta. Ciò è particolarmente vero per le gocce che iniziano più grandi perché hanno un valore assoluto di particelle più alto con cui iniziare. Quindi per le gocce che iniziano in grande, i ricercatori hanno ipotizzato, la concentrazione di contaminanti può diventare così alta che le particelle si accumulano in un guscio solido lungo la superficie della gocciolina. Quel guscio interrompe la fornitura di vapore che forma il cuscino sottostante. Di conseguenza, la goccia affonda verso la superficie calda sottostante ed esplode al contatto.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno osservato goccioline liquide che avevano diversi livelli di contaminazione con microparticelle di biossido di titanio. Hanno scoperto che all'aumentare del livello di contaminante, così come la dimensione media delle goccioline al momento dell'esplosione. La ricerca è stata anche in grado di visualizzare i gusci contaminanti tra i detriti dell'esplosione.

Presi insieme, l'evidenza suggerisce che anche piccole quantità di contaminanti giocano un ruolo chiave nel determinare il destino delle goccioline di Leidenfrost. La scoperta potrebbe avere applicazioni pratiche oltre alla semplice spiegazione del rumore di cracking riportato per la prima volta da Leidenfrost.

Recenti ricerche hanno dimostrato che la direzione in cui si muovono le gocce di Leidenfrost può essere controllata. Ciò potrebbe renderli utili come vettori di particelle levitanti nei processi di fabbricazione microelettronica. C'è anche la possibilità di utilizzare gocce di Leidenfrost negli scambiatori di calore progettati per mantenere i componenti elettronici a temperature specifiche.

"Puoi usare questi contaminanti per cambiare la durata di una gocciolina di Leidenfrost, " disse Mathai. "Così puoi capire in linea di principio dove andrà a depositare le particelle, o controllare per quanto tempo persiste il trasferimento di calore regolando con precisione la quantità di contaminanti."

I risultati della ricerca potrebbero essere potenzialmente utilizzati per sviluppare nuovi metodi di test della purezza per l'acqua e altri liquidi perché la dimensione alla quale le goccioline esplodono è strettamente legata al suo carico di contaminanti.