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不是錯覺!越跳越高的水滴

105/04/19 瀏覽次數 7005
瑞士科學家最近展示了一項有趣的研究:他們將水滴置於特製的表面上,水滴竟然會自動產生彈跳,而且還越跳越高,直到凝結為止!水滴會自動開始彈跳已經夠神奇,越跳越高就更詭異了!再怎麼說,在摩擦與黏滯造成的能量損耗下,水滴應該越跳越低才符合物理直覺。這是怎麼一回事呢?
 
在鍋子表面的水滴:談談萊頓弗斯特效應
 
原來上述實驗是在低壓下進行,實驗中採用的表面也大有文章。水滴的彈跳與超自然現象無關,而是萊頓弗斯特效應(Leidenfrost Effect)作祟的結果。萊頓弗斯特效應是以十八世紀研究它的德國醫生約翰・萊頓弗羅斯特(Johann G. Leidenfrost)來命名,名字雖然陌生,現象卻不罕見,大概每位廚師都知道利用這個現象來判斷鍋子的熱度。

究竟什麼是萊頓弗斯特效應?下過廚的人都知道,將少量的水滴到加熱的炒菜鍋上,水會馬上沸騰,一邊發出嘶嘶聲,一邊很快地汽化掉;可是如果鍋子熱過頭,溫度太高的話,水卻會形成水珠在鍋裡滾動,反而不會那麼快汽化。
 
這是因為高溫讓水立刻在鍋子表面形成一層水蒸氣,而水蒸氣的導熱比液態水差,所以這層水蒸氣水不只托住上面的水珠,還阻隔了水珠與熾熱鍋面的接觸。因此,溫度雖然更高,但水珠反而存活得比較久。
 
熱鍋和水滴之間的水蒸氣會阻隔熱傳導,讓水滴不會立刻蒸發。(圖/Vystrix Nexoth,wikipedia)
這就是為什麼廚師只要灑一點水,看鍋裡有沒有形成水珠,就知道鍋子夠不夠熱。同樣道理,民間舉辦過火儀式時,過火者必須事先打溼雙腳,目的就是過火時在皮膚表面形成一層水蒸汽,來隔絕火堆的熱,只要在火堆上停留的時間夠短,萊頓弗斯特效應就能保護雙腳不被灼傷。熱鍋和水滴之間的水蒸氣會阻隔熱傳導,讓水滴不會立刻蒸發。(圖/Vystrix Nexoth,wikipedia)
 
水往高處走?秘密是特殊材料與低壓

最近,蘇黎士聯邦理工學院(ETH Zurich)的科學家將氟化矽烷(Fluorosilane)塗佈在矽微柱(silicon micro-pillar)陣列上,製作出一種特殊的表面。氟化矽烷本身擁有拒水性,底下的微柱結構更大幅降低了水珠與表面的接觸面積,使這種表面具有超拒水(super-hydrophobic)特性,落在上面的水珠只能像「高僧坐釘床」般浮坐在柱頭上。
 
降低氣壓會減少微柱之間的空氣,理論上水珠會沉得較深,導致接觸面積變大,但是當研究人員將氣壓降到只剩百分之一大氣壓時,卻觀察到水珠越跳越高的奇景。

原來低壓讓空氣的濕度跟著下降,水珠因而蒸發得更快。到此為止劇情還符合萊頓弗斯特效應的描述,不過在水珠與表面接觸那一側,接下來故事卻有不同的發展。在水珠罩頂下,微柱間的水汽就像被困在壓力鍋內一樣無法順利宣洩,只能累積,直到壓力終於大到足以將水珠朝上推開。一旦脫離表面,壓力驟降,水珠沒了支撐又落回表面,壓力再次累積,直到水珠再度射入空中。上述蒸發過程一直在為水珠注入能量,水珠當然就越跳越高。
 
在超拒水性矽微柱表面越跳越高的水珠(時間順序由左至右)(圖/撰稿團隊)
水珠也因為蒸發而快速降溫,即使低於凝固點仍維持液態,即進入所謂的「超冷液態」(supercooled-liquid state)。當水珠終於由液態轉變成固態時,釋出的熱會讓凝結形成的小冰晶突然升溫,導致產生的水蒸氣也大量增加,藉由最後的大噴發將扮演壓力鍋鍋蓋的冰晶遠遠拋開,結束此奇特的現象。

蘇黎士團隊認為這個奇妙的效應不只是有趣的科學議題,還具有應用在自潔表面(self-cleaning surface)的潛力。或許在不久的將來,我們就能在市面上看到打著超拒水性與萊頓弗斯特效應招牌的自潔產品了。在超拒水性矽微柱表面越跳越高的水珠(時間順序由左至右)(圖/撰稿團隊)
 
(撰稿團隊另製有小動畫呈現於延伸閱讀中,歡迎點閱連結!)

責任編輯:張尹貞
審校:張惠博

資料來源
  • 科技部補助「新媒體科普傳播:遇見無所不在的生活科學」執行團隊
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