液體懸浮的奧秘：神奇的萊頓弗羅斯特效應

萊頓弗羅斯特效應

萊頓弗羅斯特效應是指當水接觸到比其沸點溫度高得多的物體時，會在底部形成一層隔熱的水蒸氣，水蒸氣會使水滴懸浮在物體表面之上。

舉一個通俗直觀的例子，取一塊高溫鐵板，在其上方開始滴落水珠，我們會發現水珠并沒有立即蒸發，而是滾動一段時間后才逐漸消失。這就是萊頓弗羅斯特效應在起作用。水珠之所以沒有立即蒸發，是因為最先接觸到高溫表面的水分會立即汽化為一層水蒸氣，并會產生一個向上的力，使水珠被水蒸氣層托舉起來。由于水蒸氣的導熱性能較差，這時的水蒸氣相當于一層保護膜，起到了減緩汽化的作用，所以水珠才會滾動一段時間后才蒸發。

萊頓弗羅斯特點

為什么滴落到鐵鍋中的水珠會立刻蒸發而不會出現懸浮的現象呢？這是因為鐵鍋表面溫度并沒有達到萊頓弗羅斯特點。萊頓弗羅斯特點是液體懸浮的臨界條件。

萊頓弗羅斯特點是指液體進行穩定薄膜沸騰所需的最低溫度，即液體形成穩定水蒸氣薄膜的最低溫度。普通水的萊頓弗羅斯特點會受到高溫物體材料、水中雜質以及水溫等因素的影響而發生變化。因此，不同液體的萊頓弗羅斯特點是不同的。

“徒手拍鐵水”和“踏火”儀式

一位來自亞美尼亞的鑄造工人徒手觸摸發紅的鐵水竟然安然無恙；在我國民俗“踏火”儀式上，表演者可以赤腳走在通紅的炭火上。難道他們都習得了像鐵砂掌一樣的功夫嗎？其實，這是因為他們都巧用了萊頓弗羅斯特效應。鐵水和炭火的溫度都遠遠高于人體表面溫度，人體手掌和腳部的汗液會與高溫物體迅速接觸，形成水蒸氣，阻隔人體和高溫物體，避免人體受到傷害。

然而，人體組織是十分脆弱的，在上述兩個過程中，人體與高溫物體的接觸只有短短幾秒鐘，一旦停留時間過長，人體表面的水分不足，難以產生水蒸氣層，就會失去保護作用，產生不可逆轉的后果。因此，大家切不可輕易模仿和嘗試。

無涂層不粘鍋

在日常生活中，一些超市店員會推銷他們的鍋沒有涂層，安全有保障，還會現場展示無油煎雞蛋，表示他們的產品不粘鍋，然而，顧客買回家后卻發現被騙了，自己做飯的時候還是會出現粘鍋的現象，這是為什么呢？

其實，店員也利用了萊頓弗羅斯特效應的原理。店員會先把鍋進行高溫加熱，雞蛋與鍋之間溫差大，產生了萊頓弗羅斯特效應。顧客自己做飯時鍋的溫度往往不會很高，鍋的表面溫度并沒有達到萊頓弗羅斯特點，食物與鍋之間沒有水蒸氣的隔絕，便會出現粘鍋的現象。

萊頓弗羅斯特效應的新發現

距萊頓弗羅斯特效應發現已經200 多年了，但是科學家們對它的探索并沒有止步。近年來，科學家們對萊頓弗羅斯特效應有了許多新發現。

水蒸氣層形成和消散的臨界溫度

在之前的許多研究中，水蒸氣層形成與消散的臨界溫度差異明顯，部分研究者認為臨界溫度的范圍主要與不同類型的金屬表面和水的含鹽量相關。研究者并沒有找到水蒸氣層消散的具體原因，但是通過實驗發現，水蒸氣層的消散往往伴隨著液體與固體表面的接觸和爆炸性沸騰。

2021 年，埃默里大學的物理研究團隊通過一種新型的電技術來研究這一關鍵問題。最終，他們將實驗結果發表在《物理評論快報》上，研究發現萊頓弗羅斯特效應的水蒸氣層可以在遠低于其形成所需的溫度下維持。水蒸氣層形成的臨界溫度約為240 ℃，當溫度低于140 ℃時，水蒸氣層消散。然而，到目前為止，科學家們還沒有找到導致水蒸氣層消散的根本原因。

三重萊頓弗羅斯特效應

最新研究發現，萊頓弗羅斯特效應不僅可以發生在液體與金屬物體之間，還可以在兩種液體之間產生相互反彈的現象。研究人員認為這種反彈也是由液體形成水蒸氣層導致的。

研究人員通過實驗發現：在高溫鋁板上方滴落兩種沸點相近的液體時，液體會快速相融；當滴落兩種沸點相差大的液體時，會出現液體之間相互反彈的現象。該研究團隊將這種現象稱為“三重萊頓弗羅斯特效應”，即兩種液體接觸熱表面時會有三個萊頓弗羅斯特效應在相互作用，其中兩個分別存在于液體和熱表面之間，還有一個存在于兩種液體之間。

低溫萊頓弗羅斯特效應

研究人員為了控制萊頓弗羅斯特效應的發生，往往會研究如何調整臨界溫度。由我國大連理工大學趙磊教授等人組成的研究團隊突破了以往萊頓弗羅斯特效應需要較高的臨界溫度（約240 ℃）的限制，實現了130 ℃左右溫度下的液體懸浮。在低溫萊頓弗羅斯特效應中，液體運動阻力大大降低，能夠實現液體的靈活操控和運動。這項技術在芯片冷卻、表面除污以及納米材料合成等方面具有極高的應用價值。

萊頓弗羅斯特效應在工程和微流體等領域都展現出了巨大的應用前景。人類對于萊頓弗羅斯特效應的探索還遠沒有停止，相信在不久的將來，水蒸氣層消失的原因揭秘、液體間萊頓弗羅斯特效應的深入研究和更低溫的萊頓弗羅斯特效應都會一一實現。