Wenn ein Wassertropfen auf eine heiße Pfanne fällt, tanzt es über die Oberfläche und überflutet auf einer dünnen Dampfschicht wie ein winziges Schwebefahrzeug. Dies ist als Leidenfrosteffekt bekannt. Aber jetzt wissen die Forscher, was passiert, wenn ein heißer Tröpfchen auf eine kühle Oberfläche fällt.
Diese neuen Erkenntnisse, die im Journal veröffentlicht wurden Newtonzeigen, dass heiße und brennende Tröpfchen von kühlen Oberflächen abprallen können, die von einer dünnen Luftschicht angetrieben werden, die sich darunter bildet. Dieses Phänomen könnte neue Strategien zur Verlangsamung der Brände und zur Verbesserung der Motoreffizienz inspirieren.
„Wir haben mit einer sehr grundlegenden Frage begonnen: Was wird passieren, wenn ein brennender Tröpfchen auf eine feste Oberfläche wirkt?“ Sagt der leitende Autor Pingan Zhu von der City University of Hong Kong, China.
Um besser zu verstehen, wie Wärme das Tröpfchenverhalten beeinflusst, verwendeten Zhu und sein Team für ihr Experiment Hexadecan, eine ölige Flüssigkeit mit treibstoffartigen Eigenschaften. Sie ließen die Raumtemperatur fallen, erhitzt (120 ° C/248 ° F) und brennende Tröpfchen der Substanz auf verschiedenen Oberflächen, von denen einige glatt, zerkratzt oder flüssigem Repellent waren.
Während ein normaler Flüssigkeitstropfen und Splatten beim Aufprall an einer Oberfläche steckt, springen die Tröpfchen zurück, die durch ein dünnes Luftkissen sich unter ihnen bildet. Kredit: Liu et al., Newton
Der Raumtemperatur-Tröpfchen hielt sich bei Kontakt an allen Oberflächen fest, wie das Team erwartet hatte. Aber die erhitzten und brennenden prallten, was darauf hindeutet, dass die Hitze der Schlüssel war.
Mit Hochgeschwindigkeits- und Thermomameras zusammen mit Computermodellen erfasste das Team die Tröpfchen in Bewegung. Sie entdeckten, dass sich der Boden schneller als die Oberseite kühlt, wenn sich ein heißes Tröpfchen der Raumtemperaturoberfläche nähert. Diese Temperaturdifferenz rührt den Kreislauf innerhalb des Tröpfchens auf, wo die heißere Flüssigkeit von den Kanten nach unten fließt und die Luft zusammen mit dem Luft schleppt.
Diese Luft bildet ein dünnes, unsichtbares Kissen am Boden des Tröpfchens, was verhindert, dass es mit der Oberfläche Kontakt aufnimmt und es stattdessen zurückprallt. Die Autoren stellen fest, dass die Temperaturverteilung in diesem Prozess der Schlüssel ist, aber auch andere Faktoren eine Rolle spielen können.
„Wenn Sie verstehen, warum heiße Tröpfchen springen, ist es nicht nur um Neugierde-es könnte reale Anwendungen haben“, sagt Zhu. „Wenn brennende Tröpfchen nicht an Oberflächen festhalten können, können sie keine neuen Materialien entzünden und sich von Bränden ausbreiten lassen.“
Durch die Kombination des Sprungverhaltens heißer Tröpfchen mit flüssigen Beschichtungen untersuchte das Team die potenziellen Anwendungen dieser Ergebnisse. Sie zeigten, dass brennende Tröpfchen auf flüssigen Plastikfilmen auf einem Luftkissen schwebten und direkten Kontakt verhindern.
Diese Beschichtung reduzierte die Kontaktfläche des Tröpfchens auf die Oberfläche um mehr als viermal im Vergleich zu bloßen Kunststoff, der mit dem brennenden Tröpfchen in Kontakt mit dem Brandschäden und anhielten.
Das Team studierte dieses Phänomen auch in Motoren. Sie stellten fest, dass Kraftstofftröpfchen, die an Oberflächen klammerten, ineffizient brannten, und unverbrannte Rückstände und Energieverschwendung hinterließen. Aber in einem Motormodell mit einer flüssigen Beschichtung blieben die Tröpfchen vollständig und brannten vollständig. Diese Ergebnisse können zu besseren feuerresistenten Materialien und effizienteren Motoren führen.
„Unsere Studie könnte dazu beitragen, brennbare Materialien wie Textilien vor brennenden Tröpfchen zu schützen“, sagt Zhu. „Die Brände auf einen kleineren Bereich einzuschränken und ihre Ausbreitung zu verlangsamen, könnte Feuerwehrleuten mehr Zeit geben, um sie herauszubringen.“
Weitere Informationen:
Selbst geschmiertes Abprall von heißen Tröpfchen, Newton (2025). Doi: 10.1016/j.newton.2025.100014