Обратный эффект Лейденфроста [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Возможно, вы слышали об эффекте Лайденфроста. Это когда каплей, например, воды, будто левитирует над горячей поверхностью благодаря прослойке, образующегося пара. Сегодня я попробую создать обратный эффект Лайденфроста. Копну в жидкий азот, немного силиконового масла. Эффект обратный, он, потому что паровую подушку образует не капли, а жидкий азот под ней. Явление уже описано в нескольких научных статьях, и я связался с одной из исследовательниц, чтобы узнать, как мне повторить эксперимент.
Приветствую! Здравствуй! Как настроение? Хорошо, вела себя просто отлично. Вот вопрос: можно ли повторить опыт в домашних условиях? Если дома есть жидкий азот. Туда без проблем, ничего сложного. Тебе нужно полистирол, white or a 20 на 20 с толстыми стенками для теплоизоляции и мензурки сантиметров 10 диаметре и 2 поменьше. Не надо сюда лезть, в общем, две ёмкости. Смотрите, у меня тут форма из пенопласта с круглым отверстием, который я заливаю жидким азотом. Это нужно для того, чтобы создать холодную область, непосредственно там, где мы будем работать, как бы изолироваться от окружающего тепла. Ставим сюда большую мензурку с жидким азотом, как видите, и он кипит. Погружаем в него мензурку поменьше, также наполненную азотом, но он не кипит. Это мне и нужно; на его поверхности мы попробуем воспроизвести обратный эффект Лайденфроста.
Итак, здесь 100 микролитров силиконового масла, и сейчас я его копну на поверхность жидкого азота. Ух ты, очуметь! Смотри, классно получилось! Сразу несколько капель, они левитировали, а потом всё успокоилось. Ещё и жидкий азот закипел. Это плохо.
Привет, это Деррик из будущего. Извини за прическу, я скоро подстригусь. Тот эксперимент толком не получился, потому что жидкий азот в маленькой мензурке закипел, и я не знал, что делать. Я копнул ещё масла, но там всё бурлило, эффект было не разглядеть. Сегодня попробую ещё раз, чистой мензурки и жидкий азот. Поехали!
И вот капля силиконового масла скользит от стенки к стенке. Прикольно! Что удивительно, эффект может продолжаться неопределенно долго. Его наблюдали непрерывно в течение десятков минут, в отличие от эффекта Лайденфроста, когда капли воды быстро испаряются. Здесь испаряется содержимое ёмкости, так что даже когда капля замерзает, она продолжает двигаться, ведь теплота, необходимая для возникновения пара, исходит не только от неё, но и от воздуха вокруг. Во второй раз азот в маленькой мензурке не закипал, но теперь всё немного тряслось из-за кипения жидкого азота в большой ёмкости, и это влияло на поведение капли. Зато в лаборатории доктора она видно, как капля движется по прямой линии.
Но почему она вообще двигается? Чем это вызвано? Много кто проводил этот эксперимент и наблюдал движение, но до сих пор никто не пробовал объяснить его причина. Какое-то объяснение есть: всё происходит на границе сред — есть капля и тонкий слой пара над жидкостью. Мы предполагаем, что его толщина неравномерно, и в какой-то момент под каплей возникает, например, капиллярная волна или другое возмущение, возникает из-за чего-то, хотя бы из-за того, что невозможно идеально поместить каплю на поверхность, обязательно появляются мини-волну, которые затем возвращаются к капле.
На этих кадрах можно разглядеть, как это происходит. Видите круги в центре мензурки? Они создают неровности под каплей. Какая-то её часть оказывается выше над поверхностью, и из-под неё начинает выходить больше азота. Логично предположить, что он будет толкать каплю в противоположном направлении, но всё наоборот: гостя нитка плюс за собой, примерно как ветер тянет за собой капли на лобовом стекле.
Что интересно, такие возмущения появляются каждый раз, когда капля приближается к стенке в ёмкостях. Поверхности жидкости образуют так называемый вогнутые мениск с подъемами по краям. Капля доходит до них, и газ начинает тянуть в другую сторону. В итоге получается траектория вроде пятиконечной звезды, по которой капля может бегать очень-очень долго, от стенки к стенке.
Здорово! Понятно, а это как-то можно применить на практике? Если да, то в какой области? Например, если у нас есть какой-нибудь эмбрион, скажем, мыши на самых ранних стадиях развития, буквально десяток клеток. Нам нужно их сохранить, помещаем в специальную жидкость для криоконсервации и замораживаем. Процесс несложный. Каплю с эмбрионом помещают в жидкий азот, где всё замерзает. Всё происходит очень быстро, кристаллов льда не образуются, и клетки остаются в сохранности.
Вот здесь нам и поможет этот эффект. Представьте, что мы копаем жидкость с клетками эмбриона на поверхность азота, также как капли масла, вместо мензурки, какая-нибудь вытянутая ёмкость. И куда бы ни попала капля, она, в конечном итоге, будет двигаться вдоль сосуда. Из-за этого эффекта мы получаем систему, которая позволяет замораживать клетки или вещества и одновременно с этим их перемещать, даже не трогая. А значит, без риска внести какие-то загрязнения.
Очень любопытно, да.