Una serie di immagini che mostrano il cedimento di un sottile strato di vapore che circonda un caldo, metallico, asta cilindrica immersa nell'acqua. Lo strato di vapore inizialmente fallisce sulla punta dell'asta arrotondata, e le bolle si formano rapidamente mentre il liquido bagna il solido e viaggia verticalmente verso l'alto. È trascorso circa 1 ms tra la prima e l'ultima immagine, e il dito metallico ha un diametro di 1,6 cm. Credito:Harvey, Harper &Burton.
L'effetto Leidenfrost è un noto fenomeno fisico scoperto per la prima volta nel 1756. Si verifica quando un liquido si trova in prossimità di una superficie significativamente più calda del suo punto di ebollizione. Questo produce uno strato di vapore isolante che impedisce al liquido di bollire rapidamente. A causa di questo effetto, una goccia si librava sulla superficie invece di toccarla fisicamente.
Mentre l'effetto Leidenfrost è stato scoperto secoli fa, le temperature riportate alle quali inizia a formarsi lo strato di vapore variano significativamente da studio a studio. Molti fisici in tutto il mondo hanno quindi continuato a esaminare questo fenomeno per capire meglio quando e come si verifica.
I ricercatori della Emory University hanno recentemente dimostrato che gli strati di vapore di Leidenfrost possono essere mantenuti a temperature molto più basse di quelle richieste per la loro formazione. Le loro scoperte, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe avere implicazioni sia teoriche che pratiche per diverse aree della fisica.
"Il mio laboratorio ha lavorato sull'effetto Leidenfrost per molti anni ormai, " Justin C. Burton, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nostro lavoro precedente si è concentrato sull'interessante dinamica delle gocce di Leidenfrost levitate, come si muovono, come oscillano, ecc. Di solito questo veniva fatto a temperature molto elevate, dove il sottile strato di vapore che esiste tra la goccia e la superficie calda è abbastanza robusto, anche se lo strato di vapore ha all'incirca lo spessore di un capello umano."
Mentre gli studi passati condotti da Burton e dai suoi colleghi hanno raccolto informazioni interessanti, rimaneva ancora una domanda cruciale aperta:qual è la temperatura del Leidenfrost? In altre parole, l'esatta temperatura richiesta perché lo strato di vapore si formasse sopra una superficie e per mantenerlo nel tempo rimaneva poco chiara.
I fisici non hanno ancora scoperto con certezza come si dissipa infine lo strato di vapore, tuttavia hanno osservato che la sua dissipazione è accompagnata dal liquido che tocca la superficie solida e rapida, ebollizione esplosiva. Oltre a informare la ricerca in fisica, fornire una risposta a queste domande sarebbe prezioso anche per diverse industrie che utilizzano oggetti caldi di raffreddamento e persino per le scienze planetarie che esplorano fenomeni come le eruzioni freatomagmatiche.
"Abbiamo deciso di rispondere a queste domande utilizzando una tecnica elettrica per monitorare con precisione lo spessore dello strato di vapore durante la formazione, e mentre il materiale caldo si raffreddava, fino al collasso spontaneo dello strato di vapore, " ha spiegato Burton. " Aggiungendo un po' di sale all'acqua, il liquido ha agito come parte di un circuito elettrico, e il sottile strato di vapore fungeva da condensatore. Questo ci ha permesso di monitorare lo strato di vapore ad alta velocità, millisecondi prima e dopo il momento del collasso."
Oltre a raccogliere diverse misurazioni dello strato di vapore, Burton e i suoi colleghi hanno utilizzato video ad alta velocità per esaminare il momento esatto in cui lo strato crolla. Sorprendentemente, hanno scoperto che mentre per formare uno strato di vapore attorno a un oggetto metallico caldo immerso in acqua, bisogna riscaldarlo fino a ~240 gradi C, questo stesso strato di vapore può quindi rimanere stabile mentre l'oggetto si raffredda fino a ~140 gradi C. Inoltre, la temperatura più bassa alla quale sono state mantenute le goccioline levitanti non dipendeva dalla concentrazione di sale o dal tipo di metallo utilizzato nell'esperimento.
"Penso che la scoperta più notevole del nostro lavoro sia che sembra esserci una temperatura più bassa per mantenere la stabilità degli strati di vapore di Leidenfrost, e che esiste una "temperatura superiore" per la formazione e una "temperatura inferiore" per il fallimento, " Burton ha detto. "Questa è una scoperta molto pratica che andrà oltre la fisica di base".
Nel futuro, i risultati raccolti da questo team di ricercatori potrebbero informare la ricerca in un'ampia varietà di campi. Infatti, la fisica del sottile, la lubrificazione di strati liquidi e gassosi è un argomento di indagine continuo in molti settori, dallo studio dell'attrito ai tessuti molli, raffreddamento su nanoscala e microfluidica.
"Stiamo attualmente conducendo una serie di simulazioni numeriche per capire come scompare la stabilità dello strato di vapore alla temperatura più bassa, " Burton ha aggiunto. "È una caratteristica molto ripetibile dell'esperimento, e quindi deve essere basato sull'idrodinamica di base. Come quando una goccia di pioggia si forma su una foglia e diventa più grande, alla fine cadrà. Questa instabilità è causata da un eccesso di forze gravitazionali rispetto alle forze di tensione superficiale, eppure al momento non sappiamo come lo strato di vapore sia diventato instabile nel nostro esperimento".
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