Une étude montre que le destin ultime de Leidenfrosttröpfchen dépend de sa taille

Une nouvelle étude révèle le destin ultime des gouttes de Leidenfrost, des gouttes de liquide flottant au-dessus de surfaces très chaudes. Les grosses gouttes explosent violemment avec une détonation audible. Les plus petits rétrécissent et s'envolent.
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Lyu / Mathai

Un scientifique allemand nommé Johann Gottlob Leidenfrost a signalé en 1756 l'observation d'un phénomène inhabituel. Normalement, de l'eau éclabousse une casserole très chaude et s'évapore très rapidement. Cependant, si la température de la casserole est bien supérieure au point d'ébullition de l'eau, des "gouttes étincelantes ressemblant au mercure" se forment et tombent à la surface. Il est connu en son honneur sous le nom "d'effet Leidenfrost".

Au cours des 250 prochaines années, les physiciens ont trouvé une explication viable à cette situation. Si la surface est à au moins 40 degrés Fahrenheit (bien au-dessus du point d’ébullition de l’eau), de la vapeur ou des coussins de vapeur se formeront sous eux, ce qui flottera. L'effet Leidenfrost fonctionne également avec d'autres fluides, notamment les huiles et l'alcool, mais la température à laquelle il se produit est différente. Dans un 2009 Mythbusters Dans un épisode, par exemple, les animateurs ont montré comment une personne pouvait humidifier sa main et, grâce à cet effet, plonger dans le plomb en fusion pendant une aussi courte période sans se blesser.

Mais personne n’avait pu identifier la cause du bruit, ce que rapporta Leidenfrost. À présent, une équipe internationale de scientifiques a comblé cette dernière lacune en matière de connaissances en publiant un article récent dans Science Advances.

La réponse: cela dépend de la taille de la goutte. De plus petites gouttes glissent de la surface et s'évaporent, tandis que les plus grosses explosent avec cette déchirure révélatrice. "Cela répond à la question vieille de 250 ans, qui génère ce son qui s'écrase", a déclaré Varghese Mathai, co-auteur de la recherche, boursière postdoctorale à l'Université Brown. "Nous n'avons trouvé aucune tentative dans la littérature pour expliquer la cause du craquement, c'est donc une question fondamentale à laquelle on a répondu." Les résultats pourraient un jour permettre de contrôler l’utilisation de l’effet dans des systèmes de réfrigération, des expéditions de particules ou des techniques de transport et de dépôt de particules pour la production microélectronique.

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Le phénomène a continué de fasciner les physiciens. Par exemple, des physiciens français ont découvert en 2018 que les gouttes ne glissaient pas simplement sur un tapis de vapeur. Tant qu'ils ne sont pas trop gros, ils se conduisent également. Ceci est dû à un déséquilibre dans le flux de fluide dans les gouttes de Leidenfrost qui agit comme un petit moteur interne. Les grosses gouttes présentaient un écoulement équilibré, mais à mesure que les gouttes s'évaporaient, devenaient plus petites (environ un demi-millimètre de diamètre) et devenaient plus sphériques, un équilibre de puissance se développait. Les gouttes ont alors tendance à rouler comme une roue, aidées par une sorte d’effet de "cliquetis" provoqué par une pente descendante dans la même direction que le liquide qui s’écoulait dans la gouttelette. Les physiciens français ont qualifié leur découverte de "roue de Leidenfrost".

Pour sa dernière étude, Mathai et al, voulait savoir d'où venait la fissuration. Par conséquent, ils ont mis en place une série de caméras et de microphones à haute vitesse pour surveiller les gouttes individuelles d'éthanol lorsqu'elles tombent sur une surface située au-dessus du seuil de Leidenfrost. Il y a plusieurs années, une autre équipe a signalé que les gouttes de Leidenfrost diminuaient 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 et les jette efficacement dans les airs.

L'équipe de Mathai a observé la même chose dans ses expériences, mais uniquement pour les petites gouttes inférieures à un certain diamètre. Lorsqu'une goutte grossit (un peu plus d'un millimètre de diamètre ou plus), elle ne se réduit pas à une taille suffisante pour voler hors de la surface. Au lieu de cela, ils se déplacent vers la surface chaude et libèrent une fissure au contact.

Ceci est dû à la contamination par des particules. Tout liquide les aura, mais les grosses gouttes commenceront par une concentration plus élevée d'impuretés. Lorsque les gouttelettes se rétractent, la concentration en impuretés augmente. Les plus grosses gouttelettes se retrouvent avec une concentration si élevée que les particules forment lentement une sorte de coquille autour de la gouttelette. Cette coquille perturbe le coussin de vapeur qui retient la goutte dans l'air et explose lorsqu'elle frappe la surface. Et à mesure que la quantité d'impuretés augmente, la taille moyenne des gouttes augmente au fur et à mesure qu'elles produisent un craquement.

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

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