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如果你擅長烹饪，你可能知道用于測試不鏽鋼平底鍋是否加熱到合适溫度的“水滴法”。你所需要做的就是在加熱平底鍋時往裡面灑幾滴水，達到合适的溫度後水不會繼續蒸發，而是會形成小水珠在鍋面快速滑動。

測試必須在無油的平底鍋中進行，某些廚房小白或許有過向熱油鍋裡加水時的慘痛經曆，這會讓水迅速沸騰帶出滾燙的油星四處飛濺。人們很早就觀察到了水珠跑鍋的現象，但一直沒弄清原理。麻省理工學院（MIT）機械工程系的克麗帕·瓦拉納西（Kripa Varanasi）博士如此解釋道：“水在蒸發時會形成隔熱的蒸汽層，水珠懸浮在蒸汽層上，摩擦力極小，所以水珠能四處滑動：這一現象被稱作萊頓弗羅斯效應（Leidenfrost Phenomenon）。當平底鍋溫度較低時，這些水珠就會開始沸騰，但此時它們會直接附着在鍋面上。”

但最近，瓦拉納西博士和他的研究生維克多·利昂（Victor Leon）開始更仔細地研究熱油與水之間的相互作用。“我們發現了非常有趣的現象：如果表面上有一層薄薄的油層，滴上水珠也能得到上述兩種現象。但在這兩者之間，還存在着另一種狀态，能讓水珠以極高的速度在表面滾動。”

實驗相當簡單，在你家廚房裡就能做。研究人員隻用到了一塊熱的面闆，可以選擇金屬闆或是表面覆蓋矽片的平闆，塗上油（他們使用的是矽油），然後用注射器精确滴下水珠。相比你在廚房裡的實驗，實驗室裡更精準的地方隻在于塗油時他們用到了旋塗法，這樣能夠塗出極薄且非常均勻的油層，厚度大約為10微米，隻有頭發絲直徑的一半。最後，研究人員使用高速成像設備對實驗結果進行成像。

視頻中他們看到：水珠落到熱油上時，會以極高的速度跑向四面八方。

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這裡有好幾個點令人驚訝：首先，水珠是自發滾動出去的。這一點很快就得到了解釋。“簡單來說，這是動量傳遞的結果。如果在給氣球充氣之後松手，氣球會沒頭沒腦朝各個方向飛出去，對吧？”熱闆上的油會包住水珠形成薄薄的油層，就像氣球一樣，而裡面的水受熱變成蒸汽，最終沖破油層，就像松開手的氣球一樣，四處跑動。

第二件令他們困惑的事是，這裡水珠運動的速度遠遠超過了懸浮的萊頓弗羅斯特水珠，實際上快了10到100倍。這很奇怪，因為水珠和油層是相互接觸的，它的速度應該比懸浮的水珠低才對。

“我們相當困惑，因為水珠的速度看上去就像是在無限的液體池上運動。”展開實驗的利昂說道，基于所觀察到的水珠移動速度進行反向計算時，他發現唯一能讓計算進行下去的情況是水珠運動在無限深的油池上。但實際上，油層隻有10微米厚，理應會讓液滴黏住，牢牢黏住。

從物理學角度來看，油層表面摩擦力的大小取決于它的深度。可以想象一下從瓶子裡往外倒蜂蜜，薄油膜就好比通過瓶蓋上一個小開口往外倒，蜂蜜流動的速度會非常慢；但如果你完全取下蓋子，蜂蜜受到的摩擦力就會變小，傾倒速度也會更快。按照10微米的厚度來算，水珠的移速應該更慢才對。

“所以，那會兒我覺得完全不可能，這太瘋狂了。”但是，更讓人吃驚的是這一現象的解釋，也就是他們查看超慢動作視頻時發現的情況。利昂說：“我們看到的真實情況是，水珠表面在以某種頻率移動，而這表明它由于像冒泡這樣的沸騰事件而在振動。”

油膜内部的水不斷沸騰産生氣泡，它們困在油膜中讓水珠從完美的球形快速變成各種不對稱的形狀，看上去像是某種混亂的振動。也就是說，水珠底部在不同波浪形狀之間變化，不再像完美球形時那樣與闆上的油層緊密接觸，因此相應的摩擦力要小得多，運動的速度也快得多。

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瓦拉納西表示：“這些現象往往出現在非常複雜的物理系統中。所以我們一開始完全摸不着頭腦，困惑不已，後來又為終于弄明白了其中的原理而非常興奮。

但是，他們并沒有完全解開所有謎團。接下來，他們特别想研究這樣一個問題：

“蒸汽為什麼會從一側噴出？又或者說，它如何選擇從哪一側噴出？對我們來說，這仍然是個謎，我們正努力解決，因為一旦解開，我們就能依自己所願控制液滴運動。”

如果他們能夠将此利用起來，這種力就可能有多種不同的應用：從生物技術中的微量液體處理，到水處理系統中的清潔薄膜，再到其他行星微重力環境下的液體移動，甚至是攜帶分子的微型機器人遞送系統。所有一切都始于在平底鍋上一閃而過的水珠。

翻譯：阿金

審校：白德凡

引進來源：科學美國人

本文來自：中國數字科技館

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