當水接觸到比其沸點溫度高得多的表面時，液滴會立即蒸發，產生一層隔熱的蒸汽層，這層蒸汽會使液滴懸浮在表面之上。這種效應發現於近300年前，但至今仍在科學上帶給我們驚喜。
不知小夥伴們是否有在商場買鍋的經歷，某些銷售人員可能會向你推銷「無塗層不粘鍋」，並且利用無油煎雞蛋來展示，如果你不了解萊頓弗羅斯特效應和不粘鍋的原理就很容易被忽悠，因為利用普通鐵鍋也能做到無油煎雞蛋。這究竟是怎麼回事呢？下面就讓我們一起來感受萊頓弗羅斯特效應的神奇之處吧！
萊頓弗羅斯特效應，最早在1732年，由荷蘭植物學家和醫生赫爾曼·布爾哈夫（Herman Boerhaave）首次發現。直到1756年，由德國醫生約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）進行深入研究，他在《論普通水的性質》一文中描述了一個現象：當水接觸到比其沸點溫度高得多的表面時，液滴會立即蒸發，產生一層隔熱的蒸汽層，這層蒸汽會使液滴懸浮在表面之上。這就是萊頓弗羅斯特效應。
舉個例子，如果我們取一塊高溫鐵板，然後從上空開始灑落水珠，這些水珠在接觸到鐵板之後，就能在鐵板上保持原狀滾動一段時間。初次看到這一現象的人，都會感到十分詫異，而實際上，這就是萊頓弗羅斯特效應在起作用。汽化產生的導熱性較差的水蒸氣，就像是一層保護膜，有效地進行了隔熱。
不過他本人在做這個實驗的時候，用到的並不是鐵板，而是一柄燒得通紅的鐵勺。據悉，在實驗當中，水珠在鐵勺當中「懸浮」的時間達到了30秒左右，在這之後才沸騰消失。值得一提的是，萊頓弗羅斯特效應也不是隨意就能出現的，如果高溫物體與液體沸點之間的溫度差異較小，就無法致使劇烈汽化發生，從而就不存在什麼保護膜了。在這種情況下，滴落在鐵板或者鐵鍋當中的水珠，就會很快沸騰蒸發。
由上面的描述我們知道，萊頓弗羅斯特效應對於溫差的要求是非常高的，如果說水的沸點是100攝氏度，那麼我們就要給鐵鍋加熱至200攝氏度左右，才能親眼目睹這一神奇的現象。我們在開頭提到的一些劣質不粘鍋的商販，也正是利用了這一點來做障眼法，讓大家誤以為他售賣的鍋確實有良好的「不粘」性能。可事實上，當你換一種物質加入鍋中，或者直接改變滴入鍋中液體的種類和純度，都會影響最終的結果。由此可見，利用萊頓弗羅斯特效應將鐵鍋變為不粘鍋只不過是表面功夫罷了，實際上鐵鍋並未真正地變成「不粘鍋」。
儘管我們已經知道萊頓弗羅斯特效應已經超過200年，但它仍在一直帶給物理學家驚喜。近年來，許多新研究也發現了這種神奇現象的更多特徵，包括水蒸氣層形成和消散的臨界溫度、三重萊頓弗羅斯特效應等。
對於水蒸氣層形成和消散的臨界溫度問題，一些理論認為，這個溫度範圍取決於不同類型的金屬表面，甚至與水的含鹽量有關。在2021年，埃默裡大學的一個物理學家團隊開發了一種新的電技術來研究這種現象。他們利用這種新的技術，證明了萊頓弗羅斯特水蒸氣層可以在遠低於其形成所需的溫度下維持。具體來說，他們發現萊頓弗羅斯特水蒸氣層在240℃左右形成，並在約140℃時消散。
浸入在水中熱的金屬圓柱形周圍水蒸汽層失效的過程
在一項發表於《物理評論快報》的研究中，一組研究人員分析了當向熱表面加入兩種不同液滴時會出現的情況，結果發現當兩滴不同的液體被置於一個熱表面之上時，它們不會相互合併，而是會出現來回反彈的現象。研究人員將這種新的現象稱為三重萊頓弗羅斯特效應。
為了解釋這種反彈現象，研究人員對11種不同液體進行了測試。他們將液體兩兩滴落在加熱至高溫的鋁板上，然後用高速攝像機拍攝下了不同液滴之間的相互作用，每組測試至少重複了5次。他們觀察到，當滴落在高溫鋁板上的兩種液滴來自相同的液體，或者來自兩種沸點相近的液體時，液滴會在幾毫秒內直接合並；而當滴落在高溫鋁板上的兩種液滴屬於兩種沸點相差很大的液體時，就會出現持續幾秒到幾分鐘的反彈現象。
乙二醇（透明）和氯仿（藍色）的沸點相差很大，當這兩種液滴發生碰撞時，可以看到它們之間形成了蒸汽層。
研究人員認為，在這種新的場景下之所以出現反彈，是因為當同一表面上的兩個液滴擁有不同的沸點時，二者中較熱的液滴會成為較低溫液滴的「第二熱表面」，從而加熱了溫度較低液滴的邊緣，形成了一個附加的「萊頓弗羅斯特層」，使液滴相互反彈。
萊頓弗羅斯特效應的存在，也給極端高溫壁面的高效液冷問題提出了挑戰。2022年，在中外科學家聯手合作下，高效液冷失效的萊頓弗羅斯特點（LFP）由常規300°C以下提高到1150°C以上，且該LFP僅取決於材料的耐溫極限，而不再受設計所限。該項研究成果解決了熱學領域中長久存在的科學及工程瓶頸問題，有望解決我國極端高溫領域的高精尖裝備散熱方面的一大難題，助力我國新一代高新科技持續迅猛發展。
參考文獻:
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來源：力學科普