Versez de l'eau dans une poêle chaude, et vous verrez souvent les gouttelettes grésiller et s'évaporer rapidement. Mais si vous augmentez vraiment la chaleur, quelque chose de différent se produit. Les gouttelettes restent intactes, danser et survoler la surface dans ce qu'on appelle l'effet Leidenfrost. Maintenant, une équipe de chercheurs a détaillé comment ces gouttelettes de Leidenfrost rencontrent leur destin ultime.

Dans un article publié en Avancées scientifiques , l'équipe montre que les gouttelettes de Leidenfrost qui commencent petit finissent par jaillir de la surface chaude et disparaissent, tandis que les gouttes plus grosses explosent violemment avec un "craquement" audible. Le fait que la gouttelette explose ou s'échappe finalement dépend de sa taille initiale et de la quantité de contaminants solides (poussière ambiante ou particules de saleté) qu'elle contient.

En plus d'expliquer le craquement que Johann Gottlob Leidenfrost a rapporté avoir entendu en 1756 lorsqu'il a documenté le phénomène, les résultats pourraient s'avérer utiles dans les futurs dispositifs - systèmes de refroidissement ou dispositifs de transport et de dépôt de particules - qui pourraient utiliser l'effet Leidenfrost.

"Cela répond à la question vieille de 250 ans de ce qui produit ce son de craquement, " dit Varghese Mathai, chercheur postdoctoral à l'Université Brown et co-auteur principal de l'étude. "Nous n'avons trouvé aucune tentative antérieure dans la littérature pour expliquer la source du son de craquement, c'est donc une réponse à une question fondamentale."

La recherche, Publié dans Avancées scientifiques , était une collaboration entre Mathai chez Brown, co-auteur principal Sijia Lyu de l'Université Tsinghua et d'autres chercheurs de Belgique, Chine et Pays-Bas.

Depuis que Leidenfrost a observé ce comportement particulier des gouttelettes d'eau, les scientifiques ont compris la physique de la façon dont le phénomène de lévitation se produit. Lorsqu'une goutte de liquide entre en contact avec une surface bien au-delà du point d'ébullition du liquide, un coussin de vapeur se forme sous la gouttelette. Ce coussin de vapeur supporte le poids de la goutte. La vapeur isole également la goutte et ralentit sa vitesse d'évaporation tout en lui permettant de glisser comme sur un tapis magique. Pour l'eau, cela se produit lorsqu'il rencontre une surface supérieure à environ 380 degrés Fahrenheit. Cette température de Leidenfrost varie pour d'autres liquides comme les huiles ou l'alcool.

Il y a quelques années, une autre équipe de recherche a observé le sort ultime de minuscules gouttes de Leidenfrost, montrant qu'ils rétrécissent régulièrement en taille, puis décollent soudainement de la surface et disparaissent. Mais cela n'expliquait pas le craquement que Leidenfrost entendit, et personne n'avait fait une étude détaillée pour voir d'où venait ce son.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont installé des caméras à des vitesses d'enregistrement allant jusqu'à 40, 000 images par seconde et des microphones sensibles pour observer et écouter des gouttes individuelles d'éthanol au-dessus de leurs températures de Leidenfrost. Ils ont découvert que lorsque les gouttelettes étaient relativement petites, ils se sont comportés de la manière que les chercheurs précédents avaient observées :se rétrécissant puis s'échappant. À un certain point, lorsque ces gouttelettes deviennent suffisamment petites et légères, le flux de vapeur autour d'eux les fait soudainement s'élancer dans l'air où ils disparaissent finalement.

Mais lorsque les gouttelettes commencent à un millimètre de diamètre ou plus, l'étude a montré, quelque chose de très différent se produit. Les plus grosses gouttes rétrécissent régulièrement, mais ils ne deviennent pas assez petits pour s'envoler. Au lieu, les plus grosses gouttelettes coulent régulièrement vers la surface chaude en dessous. Finalement, la gouttelette entre en contact avec la surface, où il explose avec un craquement audible. Alors pourquoi ces grosses gouttelettes ne rétrécissent-elles pas suffisamment pour prendre leur envol comme les gouttelettes qui commencent plus petites ? Cette, disent les chercheurs, est une question de contaminants.

Aucun liquide n'est jamais parfaitement pur. Ils contiennent tous de minuscules particules de contaminants, de la poussière et d'autres particules qui influencent le processus de Leidenfrost. Au fur et à mesure que les gouttelettes rétrécissent, la concentration de contaminants particulaires en leur sein augmente. C'est particulièrement vrai pour les gouttes qui commencent plus grosses parce qu'elles ont un nombre absolu de particules plus élevé au départ. Donc, pour les gouttes qui commencent en grand, les chercheurs ont supposé, la concentration de contaminants peut devenir si élevée que les particules s'accumulent dans une coquille solide le long de la surface de la gouttelette. Cette coque coupe l'apport de vapeur qui forme le coussin en dessous. Par conséquent, la gouttelette descend vers la surface chaude en dessous et explose au contact.

Pour tester cette idée, les chercheurs ont observé des gouttelettes liquides présentant différents niveaux de contamination par des microparticules de dioxyde de titane. Ils ont découvert qu'à mesure que le niveau de contaminants augmentait, de même que la taille moyenne des gouttelettes au moment de l'explosion. La recherche a également permis d'imager les coquilles contaminantes parmi les débris de l'explosion.

Pris ensemble, les preuves suggèrent que même des quantités infimes de contaminants jouent un rôle clé dans la détermination du devenir des gouttelettes de Leidenfrost. La découverte pourrait avoir des applications pratiques au-delà de la simple explication du bruit de craquement signalé pour la première fois par Leidenfrost.

Des recherches récentes ont montré que la direction dans laquelle les gouttes de Leidenfrost se déplacent peut être contrôlée. Cela pourrait les rendre utiles en tant que porteurs de particules en lévitation dans les processus de fabrication microélectronique. Il est également possible d'utiliser des gouttes Leidenfrost dans des échangeurs de chaleur conçus pour maintenir les composants électroniques à des températures spécifiques.

« Vous pouvez utiliser ces contaminants pour modifier la durée de vie d'une gouttelette de Leidenfrost, " a dit Mathai. " Donc, vous pouvez déterminer en principe où il va déposer les particules, ou contrôler combien de temps le transfert de chaleur persiste en ajustant finement la quantité de contaminants."

Les résultats de la recherche pourraient potentiellement être utilisés pour développer de nouvelles méthodes de test de pureté pour l'eau et d'autres liquides, car la taille à laquelle les gouttelettes explosent est si étroitement liée à sa charge en contaminants.