Experimentul VA Tech a fost inspirat de misteriosul „Sailing Stones” de la Death Valley la Racetrack Playa.
Studentul absolvent Jack Tapocik stabilește gheață pe o suprafață proiectată în laboratorul VA Tech din Jonathan Boreyko. Credit: Alex Parrish/Virginia Tech
Oamenii de știință și-au dat seama cum să facă discuri congelate de autopropuls de gheață pe o suprafață metalică modelată, potrivit unui hârtie nouă Publicat în revista ACS Applied Materials and Interfaces. Este cea mai recentă descoperire care a ieșit din Virginia Tech Lab a inginerului mecanic Jonathan Boreyko.
O Acum câțiva aniLaboratorul lui Boreyko demonstrat experimental Un efect de leiden-trifazat în vapori de apă, apă lichidă și gheață. Efectul Leidenfrost este ceea ce se întâmplă atunci când aruncați câteva picături de apă pe o tigaie foarte caldă, scârțâită. Picăturile levitează, alunecând în jurul tigaiei cu abandon sălbatic. Dacă suprafața este de cel puțin 400 ° Fahrenheit (cu mult peste punctul de fierbere al apei), pernele de vapori de apă sau abur, se formează sub ele, menținându -le levitate. Efectul funcționează și cu alte lichide, inclusiv uleiuri și alcool, dar temperatura la care se manifestă va fi diferită.
Laboratorul lui Boreyko a descoperit că acest efect poate fi obținut și în gheață, pur și simplu plasând un disc subțire și plat de gheață pe o suprafață de aluminiu încălzit. Când placa a fost încălzită peste 150 ° C (302 ° F), gheața nu s -a levita pe un vapor așa cum face apa lichidă. În schimb, a existat un prag semnificativ mai mare de 550 ° Celsius (1.022 ° F) pentru ca levitația gheții să apară. Cu excepția cazului în care se atinge acest prag critic, apa topită de sub gheață continuă să fierbe în contact direct cu suprafața. Treceți acest punct critic și veți obține un efect Leidenfrost trifazat.
Cheia este un diferențial de temperatură în apa topită chiar sub discul de gheață. Partea inferioară a apei topite se fierbe, dar partea superioară a apei topite se lipește de gheață. Este nevoie de mult pentru a menține o diferență atât de extremă de temperatură și, pentru a face acest lucru, consumă cea mai mare parte a căldurii de pe suprafața de aluminiu, motiv pentru care este mai greu să obții levitația unui disc de gheață. Gheața poate suprima efectul Leidenfrost chiar și la temperaturi foarte ridicate (până la 550 ° C), ceea ce înseamnă că utilizarea particulelor de gheață în loc de picături lichide ar fi mai bună pentru multe aplicații care implică stingerea spray -ului: răcirea rapidă în centralele nucleare, de exemplu, incendiile sau stingerea rapidă a căldurii la modelarea metalelor.
De data aceasta, Boreyko și colab. și -au îndreptat atenția asupra a ceea ce autorii termenul „un analog mai vâscos” către un Leidenfrost Ratcheto formă de autopropulsie a picăturilor. “Ceea ce este diferit aici este că nu mai încercăm să levităm sau chiar să fiarbă”, a spus Boreyko pentru ARS. “Acum punem o întrebare mai simplă: există o modalitate de a face gheața să se deplaseze pe suprafață direcțional, deoarece se topește? Se topește regulat la temperatura camerei. Nu fierbem, nu levităm, nu suntem leidenfrosting. Vrem doar să știm, putem face gheață să tragă pe suprafață dacă proiectăm o suprafață în mod corect?”
Bolovani misterioși în mișcare
Cercetătorii au fost inspirați de celebrul morții din Valea morții “Pietre de navigație“Pe Playa de curse. Bolovanii de dimensiuni de pepene verde sunt împrăștiate în toată patul lacului uscat și lasă trasee pe pământul crăpat, în timp ce migrează încet câteva sute de metri în fiecare sezon. Oamenii de știință nu și -au dat seama ce se întâmplă până în 2014. Deși coautorul Ralph Lorenz (Universitatea Johns Hopkins) admis El a crezut că a lor va fi „cel mai plictisitor experiment” atunci când l -au înființat pentru prima dată în 2011, doi ani mai târziu, bolovanii au început într -adevăr să se miște în timp ce playa era acoperită cu un iaz de apă la câțiva centimetri adâncime.
Așa că Lorenz și coautorii săi au reușit în sfârșit să identifice mecanismul. Pământul este prea greu de absorbit precipitațiile și că apa îngheață atunci când temperatura scade. Când temperaturile cresc din nou de îngheț, gheața începe să se topească, creând plute de gheață plutind pe apa topită. Și atunci când vânturile sunt suficient de puternice, acestea fac ca plutele de gheață să se abate de -a lungul suprafeței.
O piatră de navigație la Playa de curse din Valea Death Valley. Credit: Tahoenathan/CC BY-SA 3.0
„Natura trebuia să sugereze vântul pentru a împinge bolovanul și gheața de -a lungul apei topite care se afla sub gheață”, a spus Boreyko. “Ne -am gândit, ce se întâmplă dacă am putea avea o idee similară de a topi gheața care se mișcă direcțional, dar folosim o structură proiectată pentru a face să se întâmple spontan, astfel încât nu trebuie să avem energie sau vânt sau ceva activ pentru a face să funcționeze?”
Echipa și -a făcut discurile de gheață prin turnarea apei distilate în vasele de policarbonate izolate termic. Aceasta a dus la înghețarea de jos în sus, ceea ce minimizează bulele de aer în gheață. Apoi au măcinat caneluri asimetrice în plăci de aluminiu neacoperite într-un model de herringbone-creând în mod esențial canale în formă de cap de săgeată-și apoi le-au legat la plăci fierbinți încălzite la temperatura dorită. Fiecare disc de gheață a fost așezat pe farfurie cu cârlige de cauciuc, iar experimentele au fost filmate din diverse unghiuri pentru a surprinde pe deplin comportamentul discului.
Modelul de herringbone este cheia. “Direcționalitatea este ceea ce împinge cu adevărat apa”, a declarat pentru Ars Jack Tapocik, un student absolvent în laboratorul lui Boreyko. “Herringbone nu permite ca apa să curgă înapoi, apa trebuie să meargă înainte și, practic, împinge apa și gheața împreună înainte. Nu avem o suprafață tratată, astfel încât apa se așază doar deasupra, iar gheața se mișcă ca o singură unitate.”
Boreyko atrage o analogie cu tubul pe un râu, cu excepția canalelor direcționale, mai degrabă decât a gravitației care provoacă fluxul. „Puteți vedea [in the video below] Cum urmează doar apa topită “, a spus el. Este practic aceeași idee ca ceea ce face ca o picătură Leidenfrost să se miște și într -un fel: are un flux de vapori dedesubt. Singura diferență este că a fost un lichid care a derivat pe un flux de vapori, în timp ce acum avem o derivă solidă pe un flux lichid. Densitățile și vâscozitățile sunt diferite, dar ideea este aceeași: aveți o fază mai densă, care este în derivă în partea de sus a unei faze mai ușoare care curge direcțional. “
Jonathan Boreyko/Virginia Tech
În continuare, echipa a repetat experimentul, de data aceasta acoperind suprafața de herringbone de aluminiu cu spray-repellant de apă, în speranța de a accelera propulsia discului. În schimb, au descoperit că discul a ajuns să se lipească de suprafața tratată o perioadă înainte de a se arunca brusc pe placa metalică.
“Este un concept total diferit, cu fizică total diferită în spatele ei și este mult mai cool”, a spus Tapocik. „Pe măsură ce gheața se topește pe aceste suprafețe acoperite, apa pur și simplu nu vrea să stea în canale. Vrea să stea deasupra din cauza [hydrophobic] Acoperirea pe care o avem acolo. Gheața se lipește direct acum de suprafață, spre deosebire de înainte de a pluti. Obțineți această baltă alungită în față. Cel mai ușor loc [for the ice] A fi în centrul acestui uriaș, baltă lungă. Așa că se re-centrează și asta o mișcă înainte ca un slingshot “.
În esență, apa continuă să se extindă asimetric, iar această diferență de formă dă naștere la o nepotrivire a tensiunii de suprafață, deoarece cantitatea de forță pe care tensiunea de suprafață o exercită asupra unui corp depinde de curbură. Forma cu baltă mai flată din față are mai puțin curbură decât forma mai mică din spate. După cum arată videoclipul de mai jos, atunci când nepotrivirea tensiunii de suprafață devine suficient de puternică, „doar rupe gheața de pe suprafață și o alungă de -a lungul”, a spus Boreyko. “În viitor, am putea încerca să punem lucruri mici precum magneții deasupra gheaței. Probabil că am putea pune un bolovan pe ea dacă am fi vrut. Efectul Valley Death ar funcționa cu sau fără un bolovan, deoarece este pluta plutitoare care se mișcă cu vântul.”
Jonathan Boreyko/Virginia Tech
O aplicație potențială este recoltarea energiei. De exemplu, s -ar putea modela suprafața metalică într -un cerc, mai degrabă decât o linie dreaptă, astfel încât discul de gheață topit să se rotească continuu. Pune magneți pe disc și, de asemenea, s -ar roti și genera putere. S -ar putea chiar să atașați o turbină sau un angrenaj la discul rotativ.
Efectul ar putea oferi, de asemenea, un mijloc mai eficient din punct de vedere energetic, un interes de cercetare de lungă durată pentru Boreyko. „Dacă ai avea o suprafață de herringbone cu o problemă de îngheț, ai putea topi înghețul, chiar parțial, și folosești aceste fluxuri direcționale pentru a smulge gheața de pe suprafață”, a spus el. “Acest lucru este atât mai rapid, cât și folosește mai puțină energie decât trebuie să topiți în întregime gheața în apă pură. Ne uităm la o reducere de zece ori a cerințelor de încălzire, dacă trebuie să topiți parțial gheața.”
Acestea fiind spuse, „Cele mai multe aplicații practice nu pornesc de la cunoașterea cererii în prealabil”, a spus Boreyko. “Începe de la ‘Oh, acesta este un fenomen cu adevărat mișto. Ce se întâmplă aici?” Este doar în aval de faptul că se dovedește că puteți folosi acest lucru pentru o mai bună decongelare a schimbătorilor de căldură pentru pompe de căldură.
DOI: materiale și interfețe aplicate ACS, 2025. 10.1021/acsami.5c08993 (Despre Dois)
Jennifer este un scriitor senior la Ars Technica, cu un accent deosebit pe locul în care știința întâlnește cultura, care acoperă totul, de la fizică și subiecte interdisciplinare conexe până la filmele și serialele sale de televiziune preferate. Jennifer locuiește în Baltimore împreună cu soțul ei, fizicianul Sean M. Carroll, și cele două pisici ale lor, Ariel și Caliban.
