神奇的莱顿弗罗斯特效应

不知小伙伴们是否有在商场买锅的经历，某些销售人员可能会向你推销“无涂层不粘锅”，并且利用无油煎鸡蛋来展示，如果你不了解莱顿弗罗斯特效应和不粘锅的原理就很容易被忽悠，因为利用普通铁锅也能做到无油煎鸡蛋。这究竟是怎么回事呢？下面就让我们一起来感受莱顿弗罗斯特效应的神奇之处吧！

莱顿弗罗斯特效应，最早在1732年，由荷兰植物学家和医生赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）首次发现。直到1756年，由德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）进行深入研究，他在《论普通水的性质》一文中描述了一个现象：当水接触到比其沸点温度高得多的表面时，液滴会立即蒸发，产生一层隔热的蒸汽层，这层蒸汽会使液滴悬浮在表面之上。这就是莱顿弗罗斯特效应。

举个例子，如果我们取一块高温铁板，然后从上空开始洒落水珠，这些水珠在接触到铁板之后，就能在铁板上保持原状滚动一段时间。初次看到这一现象的人，都会感到十分诧异，而实际上，这就是莱顿弗罗斯特效应在起作用。汽化产生的导热性较差的水蒸气，就像是一层保护膜，有效地进行了隔热。

不过他本人在做这个实验的时候，用到的并不是铁板，而是一柄烧得通红的铁勺。据悉，在实验当中，水珠在铁勺当中“悬浮”的时间达到了30秒左右，在这之后才沸腾消失。值得一提的是，莱顿弗罗斯特效应也不是随意就能出现的，如果高温物体与液体沸点之间的温度差异较小，就无法致使剧烈汽化发生，从而就不存在什么保护膜了。在这种情况下，滴落在铁板或者铁锅当中的水珠，就会很快沸腾蒸发。

由上面的描述我们知道，莱顿弗罗斯特效应对于温差的要求是非常高的，如果说水的沸点是100摄氏度，那么我们就要给铁锅加热至200摄氏度左右，才能亲眼目睹这一神奇的现象。我们在开头提到的一些劣质不粘锅的商贩，也正是利用了这一点来做障眼法，让大家误以为他售卖的锅确实有良好的“不粘”性能。可事实上，当你换一种物质加入锅中，或者直接改变滴入锅中液体的种类和纯度，都会影响最终的结果。由此可见，利用莱顿弗罗斯特效应将铁锅变为不粘锅只不过是表面功夫罢了，实际上铁锅并未真正地变成“不粘锅”。

尽管我们已经知道莱顿弗罗斯特效应已经超过200年，但它仍在一直带给物理学家惊喜。近年来，许多新研究也发现了这种神奇现象的更多特征，包括水蒸气层形成和消散的临界温度、三重莱顿弗罗斯特效应等。

对于水蒸气层形成和消散的临界温度问题，一些理论认为，这个温度范围取决于不同类型的金属表面，甚至与水的含盐量有关。在2021年，埃默里大学的一个物理学家团队开发了一种新的电技术来研究这种现象。他们利用这种新的技术，证明了莱顿弗罗斯特水蒸气层可以在远低于其形成所需的温度下维持。具体来说，他们发现莱顿弗罗斯特水蒸气层在240℃左右形成，并在约140℃时消散。

浸入在水中热的金属圆柱形周围水蒸汽层失效的过程

在一项发表于《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。

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。

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。

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。

莱顿弗罗斯特效应的存在，也给极端高温壁面的高效液冷问题提出了挑战。2022年，在中外科学家联手合作下，高效液冷失效的莱顿弗罗斯特点（LFP）由常规300°C以下提高到1150°C以上，且该LFP仅取决于材料的耐温极限，而不再受设计所限。该项研究成果解决了热学领域中长久存在的科学及工程瓶颈问题，有望解决我国极端高温领域的高精尖装备散热方面的一大难题，助力我国新一代高新科技持续迅猛发展。