Le bolle sono sottili gusci liquidi circondati da aria. Sebbene meno conosciute, esistono anche le antibolle, che sono l'opposto delle bolle, cioè un sottile involucro di vapore circondato da un liquido. In un nuovo studio, dimostriamo che è possibile creare antibolle facendo urtare una gocciolina di un liquido volatile su un bagno di olio viscoso riscaldato a una temperatura superiore al punto di ebollizione della gocciolina.
Abbiamo scoperto questo fenomeno per serendipità presso il laboratorio GRASP dell'Università di Liegi mentre studiavamo un altro problema riguardante la comparsa dell'effetto Leidenfrost per una gocciolina volatile su un bagno liquido.
Durante questo studio, abbiamo depositato delicatamente la gocciolina volatile su un bagno caldo di olio viscoso. L'idea originale era quella di ridurre il più possibile il movimento delle goccioline per non influenzare la misurazione dell'insorgenza dell'effetto Leidenfrost. Questo effetto, dal nome di uno scienziato tedesco del XVIII secolo, corrisponde alla situazione paradigmatica in cui una goccia d'acqua si muove su una padella calda, praticamente senza attrito. La ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review Letters .
Infatti, il calore fornito dalla padella vaporizza la gocciolina, portandola così effettivamente a levitare sopra la superficie calda. Per estensione, l'effetto Leidenfrost si applica a qualsiasi situazione in cui un oggetto è separato da uno strato di gas sostenuto dalla sua stessa evaporazione causata da un trasferimento di calore dal substrato.
Tuttavia, nel corso di questo studio, abbiamo notato che se rilasciavamo la gocciolina volatile dall'alto, l'energia cinetica della gocciolina le permetteva di penetrare nel bagno, circondata da una sottile pellicola di gas. La successiva colonna rivestita di gas che viene formata dinamicamente si destabilizza e alla fine si stacca. Il risultato è una goccia incapsulata da un sottile strato di vapore circondato dal bagno liquido, ovvero un'antibolle.
Tali oggetti erano stati realizzati in precedenza in condizioni isotermiche ma la loro esistenza era estremamente breve, inferiore a 100 ms. Infatti, poiché la pressione idrostatica è maggiore nella parte inferiore che nella parte superiore dell'antibolle, un drenaggio guidato dalla gravità favorisce un flusso di gas.
Il fondo allora diventa più sottile, più fragile e col tempo la gocciolina e il liquido presente nella vasca entrano in contatto, provocando la morte dell'antibolle. Tuttavia, quando una gocciolina volatile viene utilizzata in un bagno surriscaldato, si crea un flusso di calore dal bagno verso la gocciolina, attraverso il sottile guscio di gas, e la successiva vaporizzazione della gocciolina può contrastare l'effetto del drenaggio.
L'antibolla risultante è molto più longeva. Poiché l'origine fisica di queste antibolle relativamente stabili è la differenza di temperatura tra il bagno e la gocciolina, abbiamo coniato la terminologia "antibolle termiche" per questi oggetti.
Come primo passo, abbiamo studiato sistematicamente le condizioni di impatto, ovvero l’inerzia della goccia in arrivo, e la differenza di temperatura tra il bagno e la goccia che hanno portato alla formazione di antibolle termiche. Abbiamo stabilito un diagramma di fase in funzione di questi due parametri in cui è possibile creare antibolle per la coppia di fluidi considerati nel loro studio.
Successivamente, ci siamo concentrati sulla dinamica di un'antibolla termica dopo la sua formazione. Abbiamo osservato che l'antibolle affonda prima nel bagno poiché la densità del liquido che compone la gocciolina è maggiore della densità del bagno viscoso e lo strato di vapore che circonda la gocciolina è inizialmente molto sottile. Poiché il bagno è più caldo del punto di ebollizione della gocciolina, la gocciolina evapora e alimenta lo strato di gas dell'antibolla senza bollire (questa è la magia del Leidenfrost).
Come risultato della generazione di vapore, la galleggiabilità dell'antibolla aumenta e raggiunge un punto in cui eguaglia il peso della gocciolina e l'antibolla si ferma. Successivamente, la galleggiabilità dell'antibolle supera il peso della gocciolina e il suo movimento si inverte verso la superficie del bagno.
Mentre l'antibolla completa il suo viaggio attraverso il bagno caldo, seguiamo i contorni dell'antibolla e deduciamo il suo volume in funzione del tempo. Per una goccia di circa 800 μm di raggio e una differenza di temperatura tra il bagno e la goccia prossima a 80°C, abbiamo osservato che il volume dell'antibolla aumentava di un fattore tre in circa 200 ms. Per differenze di temperatura maggiori, il tasso di gonfiaggio dell'antibolla risulta essere ancora più elevato.
Per razionalizzare le loro osservazioni, i nostri colleghi del laboratorio TIPs dell’Università Libre di Bruxelles, coinvolti in questo studio, hanno lavorato per modellare il problema. Poiché il trasferimento di calore che porta all'evaporazione della gocciolina è asservito allo spessore dello strato di gas a sua volta interessato dal drenaggio gravitazionale, è necessario scrivere un modello accoppiato di trasporto di calore e fluido.
Il primo passo è stato quello di adattare i modelli precedentemente sviluppati per razionalizzare la dinamica dello strato di vapore nel problema delle goccioline di Leidenfrost su un substrato liquido. Ma sfortunatamente, questo approccio prevedeva un tasso di inflazione dell'antibolla molto più elevato, circa 20 volte superiore a quello osservato sperimentalmente.
Abbiamo lavorato duro per trovare l’ingrediente mancante di questo modello. Infine, abbiamo scoperto che l’ingrediente mancante era la termalizzazione della gocciolina a temperatura ambiente durante l’impatto e il pompaggio di energia termica dal bagno per raggiungere la temperatura di ebollizione. L'effetto della termalizzazione delle goccioline è generalmente trascurato nei problemi che coinvolgono le goccioline di Leidenfrost, poiché riguarda la dinamica iniziale delle goccioline, mentre gli esperimenti studiano principalmente la durata totale di queste goccioline.
Nel presente problema delle antibolle termiche, abbiamo dimostrato che la termalizzazione delle goccioline è essenziale per prevederne la dinamica. In assenza di termalizzazione, il tasso di inflazione delle antibolle sarebbe molto maggiore, il che ridurrebbe considerevolmente la loro durata di vita e renderebbe questi oggetti ancora più effimeri di quanto non siano in realtà.
In letteratura era disponibile una soluzione analitica per la termalizzazione diffusiva di una sfera portata improvvisamente a una temperatura diversa sulla sua interfaccia rispetto al suo centro. Fortunatamente, un'ulteriore semplificazione della soluzione iniziale è stata possibile grazie alle brevi scale temporali considerate e il calcolo del modello è stato ottenuto facilmente.
Una prova sperimentale dell'importanza della termalizzazione delle goccioline è la fede delle piccole goccioline satelliti che talvolta compaiono quando la gocciolina madre viene staccata dal bagno al momento dell'impatto. Il tasso di inflazione di queste goccioline satellite è molto più elevato di quello della gocciolina madre. La differenza è così grande che il volume dell'antibolla minuscola può raggiungere rapidamente quello dell'antibolla grande. Questa osservazione è una prova diretta del ruolo principale della termalizzazione delle goccioline, poiché le goccioline satellite termalizzano molto più velocemente delle goccioline madri a causa delle loro piccole dimensioni.
Infatti solo il termine di termalizzazione può razionalizzare questa osservazione nelle equazioni che descrivono il problema. In fin dei conti, si scopre che entro i primi 100 millisecondi dopo la sua creazione, una goccia di Leidenfrost pompa circa il 95% del calore proveniente dal bagno per termalizzarsi e non evaporare, come si potrebbe dedurre dai modelli esistenti.
Abbiamo concluso che le antibolle termiche sono oggetti unici per visualizzare direttamente il tasso di evaporazione delle goccioline volatili in diverse condizioni termiche e le conseguenze della termalizzazione delle goccioline.
In futuro questi oggetti potrebbero essere considerati come piccole sonde per stimare le proprietà termiche dei fluidi in diverse situazioni di interesse pratico. Infine, se la durata di vita di queste antibolle termiche è effettivamente alcune volte superiore a quella delle loro controparti isotermiche, non abbiamo ancora raggiunto la completa soddisfazione. Il fattore limitante per questi oggetti è il fatto che, dopo aver raggiunto l'interfaccia, a causa della loro densità che cambia rapidamente, assomigliano molto a normali bolle superficiali e non possono più essere considerate antibolle.
La prossima storia su questo argomento dovrebbe essere scritta da ambienti privi di gravità, si spera su scale temporali più ampie, grazie a un progetto approvato dall'ESA per voli parabolici che probabilmente avverrà nel 2024.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Jonas Miguet et al, Thermal Antibubbles:When Thermalization of Encapsulated Leidenfrost Drops Matters, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Il team comprende ricercatori che lavorano nel campo della materia soffice provenienti da tre laboratori in Belgio e Francia. Benoid Scheid e Stéphane Dorbolo hanno dato importanti contributi in passato al problema delle antibolle isotermiche. Laurent Maquet e Baptiste Darbois Texier hanno studiato diversi problemi legati all'effetto Leidenfrost. Jonas Miguet è uno specialista nel trasferimento di massa in film fluidi sottili. Tutte queste competenze messe insieme hanno permesso di razionalizzare la dinamica di questi nuovi oggetti, che abbiamo chiamato "antibolle termiche".
