Jogue um pouco de água em uma frigideira quente, e você frequentemente verá as gotas chiarem e evaporarem rapidamente. Mas se você realmente aumentar o aquecimento, algo diferente acontece. As gotas permanecem intactas, dançando e deslizando pela superfície no que é conhecido como efeito Leidenfrost. Agora, uma equipe de pesquisadores detalhou como essas gotículas de Leidenfrost encontram seu destino final.

Em um artigo publicado em Avanços da Ciência , a equipe mostra que as gotículas de Leidenfrost que começam pequenas eventualmente se desprendem da superfície quente e desaparecem, enquanto gotas maiores explodem violentamente com um "estalo" audível. Se a gota finalmente explode ou escapa depende de seu tamanho inicial e da quantidade de contaminantes sólidos - poeira ambiente ou partículas de sujeira - que a gota contém.

Além de explicar o som de estalo que Johann Gottlob Leidenfrost relatou ter ouvido em 1756 quando documentou o fenômeno, as descobertas podem ser úteis em dispositivos futuros - sistemas de resfriamento ou transporte de partículas e dispositivos de deposição - que podem fazer uso do efeito Leidenfrost.

"Isso responde à questão de 250 anos sobre o que produz esse som de estalo, "disse Varghese Mathai, pesquisador de pós-doutorado na Brown University e co-autor do estudo. "Não conseguimos encontrar nenhuma tentativa anterior na literatura para explicar a origem do som do crack, então é uma questão fundamental respondida. "

A pesquisa, publicado em Avanços da Ciência , foi uma colaboração entre Mathai at Brown, a co-autora principal Sijia Lyu da Universidade de Tsinghua e outros pesquisadores da Bélgica, China e Holanda.

Nos anos desde que Leidenfrost observou este comportamento peculiar em gotículas de água, os cientistas descobriram a física de como ocorre o fenômeno da levitação. Quando uma gota de líquido entra em contato com uma superfície que está bem além do ponto de ebulição do líquido, uma almofada de vapor se forma sob a gota. Essa almofada de vapor suporta o peso da gota. O vapor também isola a gota e diminui sua taxa de evaporação, permitindo que ela deslize como se estivesse em um tapete mágico. Para água, isso acontece quando encontra uma superfície superior a cerca de 380 graus Fahrenheit. Esta temperatura Leidenfrost varia para outros líquidos, como óleos ou álcool.

Alguns anos atrás, uma equipe de pesquisa diferente observou o destino final das minúsculas gotas de Leidenfrost, mostrando que eles diminuem constantemente de tamanho e, de repente, saem da superfície e desaparecem. Mas isso não explica o som de estalo que Leidenfrost ouviu, e ninguém havia feito um estudo detalhado para ver de onde vinha aquele som.

Para este novo estudo, os pesquisadores montaram câmeras em velocidades de gravação de até 40, 000 quadros por segundo e microfones sensíveis para observar e ouvir gotas individuais de etanol acima de suas temperaturas de Leidenfrost. Eles descobriram que quando as gotas começaram relativamente pequenas, eles se comportaram da maneira que os pesquisadores anteriores haviam observado - encolhendo e depois fugindo. Em um determinado ponto, quando essas gotículas se tornam suficientemente pequenas e leves, o fluxo de vapor ao redor deles faz com que de repente voem para o ar, onde finalmente desaparecem.

Mas quando as gotas começam com um milímetro de diâmetro ou mais, o estudo mostrou, algo muito diferente acontece. As gotas maiores diminuem constantemente, mas eles não ficam pequenos o suficiente para voar para longe. Em vez de, as gotas maiores afundam continuamente em direção à superfície quente abaixo. Eventualmente, a gota entra em contato com a superfície, onde explode com um estalo audível. Então, por que essas gotículas maiores não encolhem o suficiente para voar como as gotículas que começam menores? Este, os pesquisadores dizem, é uma questão de contaminantes.

Nenhum líquido é perfeitamente puro. Todos eles têm contaminantes de partículas minúsculas - poeira e outras partículas que influenciam o processo Leidenfrost. À medida que as gotas encolhem, a concentração de partículas contaminantes dentro deles aumenta. Isso é especialmente verdadeiro para gotas que começam maiores porque têm um valor absoluto de partículas mais alto. Então, para quedas que começam grandes, os pesquisadores presumiram, a concentração de contaminantes pode se tornar tão alta que as partículas se acumulam em uma casca sólida ao longo da superfície da gota. Essa concha corta o suprimento de vapor que forma a almofada abaixo. Como resultado, a gota afunda em direção à superfície quente abaixo e explode com o contato.

Para testar essa ideia, os pesquisadores observaram gotículas de líquido que tinham diferentes níveis de contaminação com micropartículas de dióxido de titânio. Eles descobriram que, à medida que o nível de contaminante aumentava, o mesmo aconteceu com o tamanho médio das gotas no momento da explosão. A pesquisa também foi capaz de criar imagens de projéteis de contaminantes entre os destroços da explosão.

Tomados em conjunto, a evidência sugere que mesmo quantidades mínimas de contaminantes desempenham um papel fundamental na determinação do destino das gotículas de Leidenfrost. A descoberta pode ter aplicações práticas além de apenas explicar o som de estalo que Leidenfrost relatou pela primeira vez.

Uma pesquisa recente mostrou que a direção na qual as gotas de Leidenfrost se movem pode ser controlada. Isso poderia torná-los úteis como portadores de partículas em levitação em processos de fabricação de microeletrônicos. Também existe a possibilidade de usar gotas Leidenfrost em trocadores de calor que são projetados para manter os componentes eletrônicos em temperaturas específicas.

"Você pode usar esses contaminantes para mudar a vida útil de uma gota Leidenfrost, "Mathai disse." Então, você pode descobrir, em princípio, onde vai depositar as partículas, ou controlar quanto tempo a transferência de calor persiste, ajustando a quantidade de contaminantes. "

Os resultados da pesquisa poderiam ser usados ​​para desenvolver novos métodos de teste de pureza para água e outros líquidos, porque o tamanho no qual as gotas explodem está intimamente ligado à sua carga contaminante.