弹、弹、弹～

当向一个非常热的金属表面倒入水滴时，水滴并不会立即蒸发殆尽，而是会悬浮在金属表面滑动，这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应。

 莱顿弗罗斯特效应：当液体接触到比其沸点温度高得多的表面时，会产生一层隔热的蒸汽层，这层蒸汽降低了液滴的蒸发速率和它与表面之间的摩擦力，从而使液滴悬浮在热表面之上，因此就会出现这种奇特的效应。| 动图来源：Emory University

莱顿弗罗斯特效应对许多工业和自然过程都非常重要，并且已经被应用到多个领域。然而，这种常见的效应仍然隐藏着许多未知的谜题。一直以来，科学家并没有停止探索，就在几个月前，科学家才刚刚破解在这种效应中，水蒸汽层的形成和消散温度究竟是多少的谜题。（详见《一个常见物理现象的新发现》）

现在，在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一组研究人员分析了当向热表面加入两种不同液滴时会出现的情况，结果发现当两滴不同的液体被置于一个热表面之上时，它们不会相互合并，而是会出现来回反弹的现象。研究人员将这种新的现象称为三重莱顿弗罗斯特效应（triple Leidenfrost effect）。

在新的研究中，物理学家在实验室里将一个表面有略微凹陷的铝板加热至250℃的高温。他们将一些水滴滴落在热表面上，观察到水滴会在表面中心的最低点合并成一个液滴。接着，他们向表面加入了一滴乙醇，发现乙醇却并没有立即与水滴合并，而是在水滴上来回反弹了很多次。

 在温度为250℃的金属表面，乙醇液滴在水滴周围反复弹跳，最终合并。| 动图来源：Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021

为了解释这种反弹现象，研究人员对11种不同液体进行了测试。他们将液体两两滴落在加热至高温的铝板上，然后用高速摄像机拍摄下了不同液滴之间的相互作用，每组测试至少重复了5次。

他们观察到，当滴落在高温铝板上的两种液滴来自相同的液体，或者来自两种沸点相近的液体时，液滴会在几毫秒内直接合并；而当滴落在高温铝板上的两种液滴属于两种沸点相差很大的液体时，就会出现持续几秒到几分钟的反弹现象。

通常的莱顿弗罗斯特效应之所以发生，是因为表面温度远远高于液体的沸腾温度，导致了液体的边缘沸腾，形成所谓的“莱顿弗罗斯特层”。研究人员认为，在这种新的场景下之所以出现反弹，是因为当同一表面上的两个液滴拥有不同的沸点时，二者中较热的液滴会成为较低温液滴的“第二热表面”，从而加热了温度较低液滴的边缘，形成了一个附加的“莱顿弗罗斯特层”，使液滴相互反弹。

 乙二醇（透明）和氯仿（蓝色）的沸点相差很大，当这两种液滴发生碰撞时，可以看到它们之间形成了蒸汽层。| 动图来源：Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021

反弹的时间长度取决于较低温液滴的蒸发速度，当较低温液滴变得太小，无法产生足够的蒸汽层来承受温度较高的液滴的吸引力时，最后就会合并。在不同液滴接触的那一刻，有三个莱顿弗罗斯特效应在相互作用：两个分别存在于两种液滴与热表面之间，还有一个存在于两种液滴之间。正因如此，研究人员将这种现象称为三重莱顿弗罗斯特效应。

 在足够热的表面上，两个液滴将会漂浮在蒸汽层（L1和L2）上。新的实验表明，当两种不同液体的沸点相差很大时，它们之间也可以形成蒸汽层（L3）。| 图片来源：Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021

通过观察不同液体的液滴之间的相互作用，研究人员确定了三种可能的结果：当两种液滴是可以互溶时，它们最终会合并；不能互溶的液体（如水和甲苯）则会聚结并形成多相的莱顿弗罗斯特液滴；高度挥发性的液体会在温度较高的液滴内爆炸，就如下图中所示的氯仿和乙二醇的例子一样。

 当乙二醇和氯仿液滴合并时，氯仿液滴发生爆炸，因为其沸点（54℃）远远低于乙二醇的沸点（190℃）。| 动图来源：Pacheco-Vázquez et al., PRL, 2021

莱顿弗罗斯特效应是一种对物理学的多个领域都有其理论和实践意义的效应。近年来，人们研究了许多与这种效应有关的不同动力学，比如自推进液滴、持续旋转、星形振荡、反向莱顿弗罗斯特、爆炸液滴等。这些研究预示了莱顿弗罗斯特效应背后的机制或许在工程和微流体中具有潜在应用。

然而，在新的研究之前，科学家并不清楚当液滴被同时操纵时的合并情况。因此，了解不同液体的莱顿弗罗斯特液滴会如何合并是至关重要的。而新的研究结果将有助于我们更好地理解如燃料液滴会如何与发动机热表面相互作用等问题。

原理

科学，照亮黑暗的蜡烛。

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