骗人的不粘锅
下面这张动图，在网络上很火！其实这样的不粘锅，都是骗人的。只要铁锅温度够高，蛋跟锅之间就有一个蒸汽层，根本不接触，自然不会粘，任何铁锅都可以做到这点。
当然还有更刺激的：你们说手在钢水里停留0.01秒会不会有事儿？
答案是并不会，已经有大佬做过实验了。为了安全起见，读者朋友就不要去犯险了。
背后的原理
生活中，当大家在煎锅中煎炸东西并且一些水滴落入锅中时，可能已经注意到这些水滴在热油膜上四处飞溅。当液体接触一块远超其沸点的物件时，液体表面会产生出一层有隔热作用的蒸气，令液体沸腾的速度大大减慢，这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）（Figure 1所示）。因为液滴悬浮在一个蒸气膜上，所以液滴可以在几乎没有摩擦的情况下穿过表面。
Figure 1 .莱顿弗罗斯特现象
热油表面vs金属表面，在哪个表面跑得更快？
如果表面涂有热油，其摩擦力比Leidenfrost液滴下的蒸气膜大得多，则热液滴的移动速度应该会慢得多?
但是，与直觉相反，麻省理工学院Kripa K. Varanasi教授课题组的一系列实验表明发生了相反的效果：油滴上的液滴比裸金属上的液滴缩小得更快。他们报告了沸腾液滴的自推进，尽管它们与粘性的、不混溶的油膜接触，但仍能达到与悬浮的Leidenfrost液滴相当的高速度（~10 cm/s）。与先前对固体表面和厚油池上的Leidenfrost液滴的研究相反，与薄油膜接触的液滴表现出独特的自推进现象，发生在Leidenfrost和沸腾状态之间。这种由复杂输运、润湿和相变现象介导的不对称蒸汽喷射导致的自推进现象可能对微流体设备、传热系统和其他有用的功能具有重要意义。相关研究成果发表在最新一期物理学顶刊《物理评论快报》上。
【表面涂上油，液滴跑得更快！】
在保持180 °C的无纹理的普通硅表面上（图1(a)），一个去离子(DI)水滴最初沸腾，然后悬浮在Leidenfrost状态，在重力的影响下向右移动。相比之下，图1(b)展示了DI水滴在180 °C下沉积在薄硅油膜上后如何向右推进。令人惊讶的是，与加热的油膜接触的液滴比悬浮的 Leidenfrost液滴移动得更快，快10-100倍，在加热和加速后达到高达16 cm/s的恒定速度（图1(c)）。在给定温度下，图1(a)和1(b)表明，包含硅油膜会抑制Leidenfrost效应。在较高的油膜温度下，较高粘度油膜上的液滴往往会进入Leidenfrost状态，而不是与油膜保持接触并进行推进。在较低的薄膜温度下，液滴往往会爆炸或喷射气泡而不是推进。在这两种情况下，液滴速度都远低于自推进机制中的速度。
图 1. 液滴自推进
【自推进液滴下方发生不对称蒸汽喷射】
作者对推进液滴的底部进行更仔细的检查，如图1和图2中的一系列图像所示。图2(a)–2(c)提供了在自推进液滴下方发生不对称蒸汽喷射的证据。在初始加热阶段[图2(a)]之后，蒸汽气泡成核并喷出[图2(b)]，导致液滴向相反方向位移[图2(c)]。液滴的平稳运动是气泡不断喷射的结果。在没有重力偏差的情况下，前几个气泡的成核是随机的，似乎决定了运动的方向。蒸汽喷射在油水界面引起剧烈扰动，促进同一位置连续气泡成核和连续不对称蒸汽喷射。在实验中观察到的非对称蒸汽喷射的突出表明驱动液滴运动的力是由于蒸汽喷射引起的动量变化率，就像气球一样，当微小的蒸汽泡破灭时，它们会施加一个力，“气球只是飞走，因为空气从一侧出去，产生了动量传递”。通过物理模型，作者发现系统中的汽化率是由油膜向油水界面水滴底部传导的热量决定的。图2(d)表明液滴速度与液滴半径无关，图2(e)表明液滴速度不受表面纹理的显着影响。
图 2. 自推进液滴下方发生不对称蒸汽喷射
【液滴自推进机制】
为了进一步定量验证耗散仅限于它们各自的边界层δ，作者比较了动量扩散和热扩散的特征时间尺度。值得注意的是，动量条件比热条件更具限制性。为了观察动量缩放所建议的快速时间尺度上发生的现象，我们拍摄了100000 fps的自推进液滴的高速视频。观察到表面波动发生在蒸汽喷射事件期间和之间的自推进液滴底部附近的10 μs时间尺度上[图3(b)]。相比之下，在Leidenfrost液滴控制案例中未观察到表面波动[图3(c)]，这意味着沸腾会在沸腾液滴下方10 μs的时间尺度上引起扰动。图3(d)显示了从相同视频创建的随时间变化的归一化图像强度，定量增强了表面波动频率。本文研究的自推进机制表明，与直觉相反，与粘性薄膜接触的液滴可以达到与悬浮在毫米棘轮上的莱顿弗罗斯特液滴的速度相当的速度。与实验液滴速度一致的标度定律表明，由于沸腾现象发生在微秒时间尺度，液滴速度是看似不同的时间尺度现象显着耦合的产物。简单来说，液滴自推进如此快的原因是微小气泡的形成过程比通过油膜的热量传递快得多，大约快一千倍，为液滴内的不对称性积累留出充足的时间。当蒸汽气泡最初在油水界面形成时，它们比液滴的液体更绝缘，导致油膜中的显着热扰动。这些扰动会导致液滴振动，从而减少摩擦并增加蒸发率。该模型已通过一系列温度、粘度、液滴半径和表面纹理的实验验证。
图 3. 液滴速度是在两个明显不同的时间尺度上发生的沸腾现象的结果
图 4. 无量纲速度根据方程中的标度定律预测的无量纲参数绘制
【总结】
作者报道了沸腾液滴的自推进现象，并找到了现象背后的原因，在高温、油液粘度和油液厚度合适的条件下，油液会形成一层薄薄的斗篷，包裹在每个水滴的外面。随着液滴加热，沿液滴和油之间的界面形成微小的蒸汽气泡。因为这些微小的气泡沿着液滴的底部随机堆积，不对称性发展，气泡下方的摩擦力降低了液滴与表面的附着力，并将其推开。这种效果意味着在某些情况下，通过适当的量和适当类型的油性涂层对表面进行简单加热，可能会导致从表面清除腐蚀性水垢。更进一步，一旦研究人员对方向有了更多的控制，该系统就有可能替代微流体设备中的一些高科技泵，以在正确的时间推动液滴通过正确的管道。也有可能将有效载荷附加到液滴上，从而创建一种微型机器人输送系统。虽然本文的测试集中在水滴上，但它可能适用于许多不同种类的液体和升华固体。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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