Echa un poco de agua en una sartén caliente, ya menudo verá las gotas chisporrotear y evaporarse rápidamente. Pero si realmente subes la temperatura, sucede algo diferente. Las gotitas permanecen intactas, bailando y deslizándose sobre la superficie en lo que se conoce como efecto Leidenfrost. Ahora, un equipo de investigadores ha detallado cómo estas gotitas de Leidenfrost encuentran su destino final.

En un artículo publicado en Avances de la ciencia , El equipo muestra que las gotas de Leidenfrost que comienzan siendo pequeñas, eventualmente salen disparadas de la superficie caliente y desaparecen. mientras que las gotas más grandes explotan violentamente con un "crujido" audible. Si la gota finalmente explota o escapa depende de su tamaño inicial y de la cantidad de contaminantes sólidos (polvo ambiental o partículas de suciedad) que contiene la gota.

Además de explicar el crujido que Johann Gottlob Leidenfrost informó haber escuchado en 1756 cuando documentó el fenómeno, los hallazgos podrían resultar útiles en dispositivos futuros (sistemas de enfriamiento o dispositivos de transporte y deposición de partículas) que pueden hacer uso del efecto Leidenfrost.

"Esto responde a la pregunta de hace 250 años sobre qué produce este crujido, "dijo Varghese Mathai, investigador postdoctoral en la Universidad de Brown y coautor principal del estudio. "No pudimos encontrar ningún intento previo en la literatura para explicar la fuente del sonido del crack, así que es una pregunta fundamental respondida ".

La investigación, publicado en Avances de la ciencia , fue una colaboración entre Mathai en Brown, el coautor principal Sijia Lyu de la Universidad de Tsinghua y otros investigadores de Bélgica, China y Holanda.

En los años transcurridos desde que Leidenfrost observó este comportamiento peculiar en las gotas de agua, Los científicos han descubierto la física de cómo ocurre el fenómeno de levitación. Cuando una gota de líquido entra en contacto con una superficie que está mucho más allá del punto de ebullición del líquido, se forma un cojín de vapor debajo de la gota. Ese cojín de vapor soporta el peso de la gota. El vapor también aísla la gota y ralentiza su velocidad de evaporación mientras le permite deslizarse como si estuviera sobre una alfombra mágica. Para agua, esto sucede cuando se encuentra con una superficie de más de 380 grados Fahrenheit. Esta temperatura de Leidenfrost varía para otros líquidos como aceites o alcohol.

Hace unos años un equipo de investigación diferente observó el destino final de las pequeñas gotas de Leidenfrost, mostrando que se reducen constantemente en tamaño y luego, de repente, se lanzan a la superficie y desaparecen. Pero eso no explicó el crujido que escuchó Leidenfrost, y nadie había hecho un estudio detallado para ver de dónde provenía ese sonido.

Para este nuevo estudio, los investigadores instalaron cámaras a velocidades de grabación de hasta 40, 000 fotogramas por segundo y micrófonos sensibles para observar y escuchar gotas individuales de etanol por encima de las temperaturas de Leidenfrost. Descubrieron que cuando las gotitas comenzaban siendo relativamente pequeñas, se comportaron de la forma que habían observado los investigadores anteriores:encogiéndose y luego escapando. En un cierto punto, cuando estas gotas se vuelven lo suficientemente pequeñas y livianas, el flujo de vapor a su alrededor hace que de repente se lancen al aire donde finalmente desaparecen.

Pero cuando las gotas comienzan con un milímetro de diámetro o más, el estudio mostró, sucede algo muy diferente. Las gotas más grandes se encogen constantemente, pero no se vuelven lo suficientemente pequeños como para volar. En lugar de, las gotas más grandes se hunden constantemente hacia la superficie caliente de abajo. Finalmente, la gota entra en contacto con la superficie, donde explota con un crujido audible. Entonces, ¿por qué esas gotas más grandes no se encogen lo suficiente como para volar como las gotas que comienzan siendo más pequeñas? Ese, los investigadores dicen, es una cuestión de contaminantes.

Ningún líquido es nunca perfectamente puro. Todos tienen partículas diminutas de contaminantes:polvo y otras partículas que influyen en el proceso de Leidenfrost. A medida que las gotas se encogen, la concentración de partículas contaminantes dentro de ellos aumenta. Eso es especialmente cierto para las gotas que comienzan más grandes porque tienen un mayor absoluto de partículas para comenzar. Entonces, para las gotas que comienzan grandes, los investigadores supusieron, la concentración de contaminantes puede llegar a ser tan alta que las partículas se acumulan en una capa sólida a lo largo de la superficie de la gota. Ese caparazón corta el suministro de vapor que forma el cojín debajo. Como resultado, la gota se hunde hacia la superficie caliente debajo y explota al contacto.

Para probar esta idea, los investigadores observaron gotas de líquido que tenían diferentes niveles de contaminación con micropartículas de dióxido de titanio. Descubrieron que a medida que aumentaba el nivel de contaminantes, también lo hizo el tamaño medio de las gotas en el momento de la explosión. La investigación también pudo obtener imágenes de los proyectiles contaminantes entre los escombros de la explosión.

Tomados en conjunto, la evidencia sugiere que incluso pequeñas cantidades de contaminantes juegan un papel clave en la determinación del destino de las gotas de Leidenfrost. El hallazgo podría tener aplicaciones prácticas más allá de simplemente explicar el crujido que informó Leidenfrost por primera vez.

Investigaciones recientes han demostrado que se puede controlar la dirección en la que se mueven las gotas de Leidenfrost. Eso podría hacerlos útiles como portadores de partículas levitantes en procesos de fabricación microelectrónica. También existe la posibilidad de utilizar gotas de Leidenfrost en intercambiadores de calor que están diseñados para mantener los componentes electrónicos a temperaturas específicas.

"Puede utilizar estos contaminantes para cambiar la vida útil de una gota de Leidenfrost, "Dijo Mathai." Así que puedes averiguar en principio dónde va a depositar las partículas, o controlar cuánto tiempo persiste la transferencia de calor ajustando la cantidad de contaminantes ".

Los resultados de la investigación podrían potencialmente usarse para desarrollar nuevos métodos de prueba de pureza para agua y otros líquidos porque el tamaño al que explotan las gotas está muy relacionado con su carga de contaminantes.