מחקר חדש: טיפות המרחפות על כריות אדים אינן מתמזגות כשהן מורכבות מנוזלים שונים

כאשר מטפטפים מעט מים על מחבת חמה, שהטמפרטורה שלה גבוהה יותר ממאה מעלות צלזיוס, טיפות המים ירתחו ויתאדו כמעט מיד. הדבר אינו מפתיע, משום שטמפרטורת הרתיחה של מים בתנאים רגילים היא כמאה מעלות. אך אם נחמם את המחבת עוד יותר, עד שהטמפרטורה שלה תגיע לכמאתיים מעלות צלזיוס, תתרחש תופעה מעניינת: הטיפות לא יתאדו ויעלמו במהירות, אלא יישארו על המחבת כשהן מתאדות באיטיות. ותוך כדי כך יחליקו בקלילות על המשטח. תופעה זו מכונה אפקט ליידנפרוסט (Leidenfrost), על שם הרופא יוהאן גוטלוב ליידנפרוסט, שתיאר אותו לראשונה ב-1756.

תעלומת הטיפות המרחפות

אז מה קורה כאן?

כאשר טמפרטורת המשטח היא מעט מעל טמפרטורת הרתיחה, חום מהמשטח עובר לנוזל ומאדה אותו במהירות – ועל כן הטיפה כולה רותחת ומתאדה. לעומת זאת, כאשר הטמפרטורה היא הרבה מעל טמפרטורת הרתיחה, נוצרת בין הנוזל למשטח שכבה דקה ושקופה של אדים. שכבת האדים יוצרת בידוד יציב ויעיל בין הנוזל למשטח, כך שהחום לא מגיעה אל הטיפה הנוזלית - ולכן קצב האידוי שלה צונח בצורה דרמטית, עד כדי כך שנדמה שהטיפה כלל אינה מתאדה ושומרת על גודל יציב. שכבת האדים הדקה לא רק מבודדת את הטיפה מהמשטח החם: היא גם פועלת כשכבת סיכה המאפשרת לטיפה להחליק על פני המשטח בחיכוך אפסי, בדומה לדיסקה על שולחן הוקי אוויר. משום כך טיפות במצב ליידנפרוסט נעות בחופשיות מנקודה לנקודה על גבי המשטח. כאשר המשטח קעור (כמו לדוגמה מחבת ווק), הטיפות מתרכזות בתחתיתו ומתמזגות לטיפה אחת גדולה.

אילוסטרציה של אפקט ליידנפרוסט | Shutterstock, Sergey Merkulov
שכבת האדים בין המחבת לטיפה פועלת כשכבת סיכה, המאפשרת לטיפה להחליק על פני המשטח בחיכוך אפסי. אילוסטרציה של אפקט ליידנפרוסט | Shutterstock, Sergey Merkulov

לא נוצר חיבור

כעת, יותר מ-250 שנה לאחר התיאור הראשון של ליידנפרוסט, קבוצת חוקרים ממקסיקו ומצרפת גילתה נדבך חדש של האפקט. החוקרים טפטפו טיפות של נוזלים שונים על משטח קעור בטמפרטורה של 250 מעלות צלזיוס, וראו שבחלק מהמקרים, טיפות של נוזלים שהיו מתערבבים זה בזה בתנאים רגילים – כמו מים ואתאנול (אלכוהול) – אינן מתמזגות, אלא מתנגשות וניתזות זו מזו שוב ושוב.

טיפות מים ואלכוהול בטמפרטורה של 250 מעלות צלסיוס | מתוך המאמר F. Pacheco-Vázquez et al,. 2021
בתנאים מסוימים, טיפות של נוזלים שהיו מתערבבים זה בזה בתנאים רגילים מתנגשות וניתזות זו מזו שוב ושוב. טיפות מים ואלכוהול בטמפרטורה של 250 מעלות צלסיוס | מתוך המאמר F. Pacheco-Vázquez et al,. 2021

החוקרים בדקו בשיטתיות סדרה של 11 חומרים, וזיהו בעבור כל אחד מהם את טמפרטורת הרתיחה ואת טמפרטורת ליידנפרוסט, כלומר את הטמפרטורה שבה מתרחש בו אפקט ליידנפרוסט. אחר כך בחנו מה קורה כאשר מפגישים טיפות של כל אחד מהזוגות האפשריים של חומרים על גבי משטח לוהט. במקצת המקרים, הטיפות התנגשו זו בזו כמה פעמים ולבסוף התמזגו. כך קרה, למשל, במפגש בין טיפות של מים ואתאנול. במקרים אחרים הטיפות התמזגו מיד, כמו במפגש בין טיפות אתאנול לטיפות אצטון. סדרת הניסויים הראתה כי הגורם המכריע בעניין זה הוא ההפרש בין טמפרטורות הרתיחה של הנוזלים. כאשר יש הפרש גדול בין טמפרטורות הרתיחה של שני הנוזלים, הטיפות יתנגשו זו בזו במשך זמן מה, עד שהטיפה הקטנה מבין השתיים תגיע לגודל קריטי שבו היא תתמזג עם הטיפה הגדולה. לעומת זאת, אם טמפרטורות הרתיחה של שני הנוזלים קרובות זו לזו, הטיפות יתמזגו מיד.

החוקרים הסבירו תופעה זו בעזרת מודל שלפיו נוצרת בין טיפות הנוזלים עוד שכבת אדים, המונעת מהן להתמזג. השכבה הנוספת נוצרת משום שהטמפרטורה של כל אחת מהטיפות במצב ליידנפרוסט אינה עוברת את טמפרטורת הרתיחה של החומר שממנו היא עשויה. לפיכך יש הפרש טמפרטורות גדול בין שתי הטיפות, וכאשר הטיפה החמה יותר נוגעת בטיפה הקרה, היא גורמת לאידוי נוזל מהטיפה הקרה מבין השתיים – כלומר, הטיפה החמה ממלאת בעבור הטיפה הקרה את תפקיד ה"מחבת" באפקט ליידנפרוסט. החוקרים כינו תופעה זו בשם "אפקט ליידנפרוסט משולש", משום שנוצרות בה שלוש שכבות ליידנפרוסט: שכבת אדים בין כל אחת מהטיפות למשטח, ועוד שכבת אדים בין שתי הטיפות.

מפגש בין טיפות אתילן גליקול וכלורופורם, אפשר לראות את האדים שנוצרים ביניהן | מתוך המאמר F. Pacheco-Vázquez et al,. 2021
נוצרות שלוש שכבות ליידנפרוסט: שכבת אדים בין כל אחת מהטיפות למשטח, ועוד שכבת אדים בין שתי הטיפות. מפגש בין טיפות אתילן גליקול וכלורופורם, אפשר לראות את האדים שנוצרים ביניהן | מתוך המאמר F. Pacheco-Vázquez et al,. 2021

מחקר זה התבסס על ניסוי פשוט למדי ואלגנטי, שאפשר לבצע בתנאים כמעט ביתיים. הדבר מלמד כי לצד מחקרי ענק מרשימים שנעשים בשלל תחומי המדע, כמו חקר החלל או מחקרים במאיצי חלקיקים באורך קילומטרים, בטבע חבויות עוד תופעות מרתקות שאין צורך בתקציבי ענק או במכשור משוכלל כדי לגלותן.