Spruzza qualche goccia d'acqua su una padella calda e, se la padella è abbastanza calda, l'acqua sfrigolerà e le gocce d'acqua sembreranno rotolare e galleggiare, librandosi sopra la superficie.
La temperatura alla quale si verifica questo fenomeno, chiamato effetto Leidenfrost, è prevedibile e di solito si verifica sopra i 230 gradi Celsius. Il team di Jiangtao Cheng, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Virginia Tech, ha scoperto un metodo per creare la levitazione acquatica a una temperatura molto più bassa e i risultati sono stati pubblicati su Nature Physics .
Accanto al primo autore e Ph.D. studente Wenge Huang, il team di Cheng ha collaborato con l'Oak Ridge National Lab e la Dalian University of Technology per alcune sezioni della ricerca.
La scoperta ha un grande potenziale nelle applicazioni di trasferimento di calore come il raffreddamento di macchine industriali e la pulizia delle incrostazioni superficiali per gli scambiatori di calore. Potrebbe anche aiutare a prevenire danni e persino disastri ai macchinari nucleari.
Attualmente, negli Stati Uniti ci sono più di 90 reattori nucleari operativi autorizzati che alimentano decine di milioni di case, ancorano le comunità locali e rappresentano effettivamente la metà della produzione di energia elettrica pulita del paese. Richiede risorse per stabilizzare e raffreddare i reattori e il trasferimento di calore è fondamentale per le normali operazioni.
Da tre secoli l’effetto Leidenfrost è un fenomeno ben noto tra i fisici che stabilisce la temperatura alla quale le goccioline d’acqua si librano su un letto del proprio vapore. Sebbene sia stato ampiamente documentato che la temperatura iniziale sia di 230 gradi Celsius, Cheng e il suo team hanno spinto tale limite molto più in basso.
L'effetto si verifica perché ci sono due diversi stati dell'acqua che convivono. Se potessimo vedere l'acqua a livello delle goccioline, osserveremmo che non tutta la goccia bolle in superficie, ma solo una parte. Il calore vaporizza il fondo, ma l'energia non viaggia attraverso l'intera gocciolina. La porzione liquida sopra il vapore riceve meno energia perché gran parte di essa viene utilizzata per far bollire il fondo. Quella porzione liquida rimane intatta, ed è ciò che vediamo galleggiare sul proprio strato di vapore. Fin dalla sua scoperta nel XVIII secolo, questo fenomeno è stato chiamato effetto Leidenfrost, dal nome del medico tedesco Johann Gottlob Leidenfrost.
Quella temperatura calda è ben al di sopra del punto di ebollizione dell'acqua di 100 gradi Celsius perché il calore deve essere sufficientemente elevato da formare istantaneamente uno strato di vapore. Troppo basso e le goccioline non rimangono sospese. Troppo alto e il calore vaporizzerà l'intera gocciolina.
La misurazione tradizionale dell'effetto Leidenfrost presuppone che la superficie riscaldata sia piatta, il che fa sì che il calore colpisca uniformemente le gocce d'acqua. Lavorando nel Virginia Tech Fluid Physics Lab, il team di Cheng ha trovato un modo per abbassare il punto di partenza dell'effetto producendo una superficie ricoperta di micropilastri.
"Come le papille su una foglia di loto, i micropilastri fanno molto più che decorare la superficie", ha detto Cheng. "Danno alla superficie nuove proprietà."
I micropilastri progettati dal team di Cheng sono alti 0,08 millimetri, più o meno quanto la larghezza di un capello umano. Sono disposti secondo uno schema regolare di 0,12 millimetri l'uno dall'altro. Una goccia d'acqua ne racchiude 100 o più. Questi minuscoli pilastri premono su una goccia d'acqua, rilasciando calore all'interno della goccia e facendola bollire più rapidamente.
Rispetto alla visione tradizionale secondo cui l’effetto Leidenfrost si attiva a 230 gradi Celsius, i micropilastri simili a una serie di alette immettono più calore nell’acqua rispetto a una superficie piana. Ciò fa levitare le microgoccioline e saltare fuori dalla superficie in pochi millisecondi a temperature più basse perché la velocità di ebollizione può essere controllata modificando l'altezza dei pilastri.
Quando la superficie strutturata è stata riscaldata, il team ha scoperto che la temperatura alla quale si otteneva l'effetto fluttuante era significativamente inferiore a quella di una superficie piana, a partire da 130 gradi Celsius.
Non solo si tratta di una nuova scoperta per la comprensione dell’effetto Leidenfrost, ma rappresenta anche una svolta rispetto ai limiti precedentemente immaginati. Uno studio del 2021 della Emory University ha scoperto che le proprietà dell’acqua causano effettivamente il fallimento dell’effetto Leidenfrost quando la temperatura della superficie riscaldata scende a 140 gradi. Utilizzando i micropilastri creati dal team di Cheng, l'effetto è sostenibile anche a 10 gradi al di sotto di tale temperatura.
"Pensavamo che i micropilastri avrebbero cambiato il comportamento di questo fenomeno ben noto, ma i nostri risultati hanno sfidato anche la nostra immaginazione", ha detto Cheng. "Le interazioni bolla-goccia osservate sono una grande scoperta per il trasferimento del calore bollente."
L'effetto Leidenfrost è più che un fenomeno intrigante da osservare, è anche un punto critico nel trasferimento di calore. Quando l'acqua bolle, rimuove il calore da una superficie nel modo più efficiente. In applicazioni come il raffreddamento delle macchine, ciò significa che adattando una superficie calda all'approccio strutturato presentato dal team di Cheng, il calore viene disperso più rapidamente, riducendo la possibilità di danni causati quando una macchina diventa troppo calda.
"La nostra ricerca può prevenire disastri come le esplosioni di vapore, che rappresentano una minaccia significativa per le apparecchiature industriali di trasferimento del calore", ha affermato Huang. "Le esplosioni di vapore si verificano quando le bolle di vapore all'interno di un liquido si espandono rapidamente a causa della presenza di un'intensa fonte di calore nelle vicinanze. Un esempio di dove questo rischio è particolarmente pertinente è negli impianti nucleari, dove la struttura superficiale degli scambiatori di calore può influenzare la crescita delle bolle di vapore e potenzialmente innescano tali esplosioni. Attraverso la nostra esplorazione teorica nel documento, indaghiamo in che modo la struttura superficiale influisce sulla modalità di crescita delle bolle di vapore, fornendo preziose informazioni sul controllo e sulla mitigazione del rischio di esplosioni di vapore."
Un'altra sfida affrontata dal team riguarda le impurità che i fluidi lasciano nelle strutture delle superfici ruvide, ponendo sfide per l'autopulizia. In condizioni di pulizia a spruzzo o risciacquo, né il Leidenfrost convenzionale né le goccioline fredde a temperatura ambiente possono eliminare completamente le particelle depositate dalla ruvidità della superficie.
Utilizzando la strategia di Cheng, la generazione di bolle di vapore è in grado di rimuovere quelle particelle dalla ruvidità della superficie e di sospenderle nella gocciolina. Ciò significa che le bolle bollenti possono allontanare il calore e le impurità dalla superficie.
