Ученые научили левитировать лед

Ученые совершили открытие в области свойств воды, которое станет захватывающим дополнением к феномену, установленному более двух веков назад. Им удалось заставить левитировать лед. Открытие поможет в охлаждении различных устройств, а также при тушении пожаров. Результаты опытов опубликованы в журнале Physical Review Fluids.

Еще со школьной поры мы знаем, что вода может существовать в трех фазах: замерзшее твердое тело, жидкость и газ. Когда твердое тело тает, оно становится жидкостью. А та, в свою очередь, может превратиться в пар. Этот элементарный принцип знаком каждому, кто наблюдал за стаканом чая со льдом в жаркий день или кипятил кастрюлю с водой, чтобы сварить спагетти.

Если источник тепла достаточно горячий, поведение воды резко меняется. По словам доцента Джонатана Борейко, капля воды, нанесенная на алюминиевую пластину, нагретую до 150°C, больше не будет кипеть. Вместо этого пар, который образуется при приближении капли к поверхности, окажется в ловушке под самой каплей. Это создаст эдакую подушку, препятствующую прямому контакту жидкости с поверхностью.

Захваченный пар заставляет жидкость левитировать, скользя по нагретой поверхности, как шайба в аэрохоккее. Это явление известно как эффект Лейденфроста, названный в честь немецкого врача, впервые описавшего его в 1751 году.

Этот общепринятый научный принцип применим к воде как к жидкости, плавающей на слое пара. Команда доцента Джонатана Борейко и аспиранта Моджтабы Эдалатпура задалась вопросом: может ли лед вести себя точно так же?

Любопытство положило начало первому исследованию в этой сфере около пяти лет назад в форме исследовательского проекта студента Даниэля Кусумано. Он смог увидеть поистине захватывающие вещи.

Когда алюминий нагревался выше 150°С, лед не парил в воздухе, как это делает жидкость. Кусумано продолжал повышать температуру, наблюдая за поведением льда по мере увеличения тепла. Он обнаружил, что порог левитации льда оказался значительно выше: 550°C, а не 150°C.

Повышенная температура в 550°C имеет и практическое значение. Кипящая вода оптимально отводит тепло от субстрата, поэтому вы чувствуете большее количество тепла, исходящего от кастрюли с кипящей водой, а не от кастрюли с просто горячей водой. Сложность левитации льда на самом деле хорошая вещь, поскольку большее температурное окно для кипячения приведет к лучшей теплопередаче по сравнению с использованием одной лишь жидкости.

Больше всего теплопередача нужна для охлаждения таких вещей, как компьютерные серверы или автомобильные двигатели. Для этого требуется вещество или механизм, который может отводить энергию от горячей поверхности, быстро перераспределяя тепло, чтобы уменьшить износ металлических деталей. На атомных электростанциях использование льда для быстрого охлаждения может стать легко применяемой аварийной мерой в случае отключения электроэнергии.

Ученые также предвидят потенциал левитирующего льда в пожаротушении.

«Представьте себе, что у вас есть специально изготовленный шланг, который распыляет ледяную крошку, а не струю воды. Это больше не научная фантастика, — говорит Джонатан Борейко. — Я посетил аэрокосмическую компанию, у которой есть тоннель для обледенения. У них уже имеется такая технология, при которой сопло выбрасывает частицы льда, а не капли воды».

Обладая новыми возможностями, ученые в восторге от вклада, внесенного в научный мир. Оглядываясь назад, они считают, что столь захватывающее открытие произошло благодаря их общей искре любопытства и стремлению к творчеству в исследованиях.

━━━━━

Анастасия Дегтярева