Versez quelques gouttes d’eau sur une poêle chaude et si la poêle est suffisamment chaude, l’eau grésillera et les gouttelettes d’eau sembleront rouler et flotter, planant au-dessus de la surface.
La température à laquelle se produit ce phénomène, appelé effet Leidenfrost, est prévisible et se situe généralement au-dessus de 230 degrés Celsius. L’équipe de Jiangtao Cheng, professeur agrégé au département de génie mécanique de Virginia Tech, a découvert une méthode pour créer la lévitation aquatique à une température beaucoup plus basse, et les résultats ont été publiés dans Physique naturelle.
Aux côtés du premier auteur et du doctorat. étudiant Wenge Huang, l’équipe de Cheng a collaboré avec le laboratoire national d’Oak Ridge et l’Université de technologie de Dalian pour certaines sections de la recherche.
Cette découverte présente un grand potentiel dans les applications de transfert de chaleur telles que le refroidissement des machines industrielles et le nettoyage des salissures de surface pour les échangeurs de chaleur. Cela pourrait également contribuer à prévenir des dommages, voire des catastrophes, aux machines nucléaires.
Il existe actuellement aux États-Unis plus de 90 réacteurs nucléaires opérationnels sous licence qui alimentent des dizaines de millions de foyers, soutiennent les communautés locales et représentent en fait la moitié de la production d’électricité propre du pays. La stabilisation et le refroidissement de ces réacteurs nécessitent des ressources, et le transfert de chaleur est crucial pour le fonctionnement normal.
La physique de l’eau planante
Depuis trois siècles, l’effet Leidenfrost est un phénomène bien connu des physiciens qui détermine la température à laquelle les gouttelettes d’eau planent sur un lit de leur propre vapeur. Bien qu’il ait été largement documenté qu’elle commençait à 230 degrés Celsius, Cheng et son équipe ont repoussé cette limite beaucoup plus bas.
Cet effet se produit parce que deux états différents de l’eau cohabitent. Si nous pouvions voir l’eau au niveau des gouttelettes, nous observerions que la totalité d’une gouttelette ne bout pas à la surface, mais seulement une partie. La chaleur vaporise le fond, mais l’énergie ne traverse pas la totalité de la gouttelette. La partie liquide au-dessus de la vapeur reçoit moins d’énergie car une grande partie est utilisée pour faire bouillir le fond. Cette partie liquide reste intacte, et c’est ce que l’on voit flotter sur sa propre couche de vapeur. Depuis sa découverte au XVIIIe siècle, on parle d’effet Leidenfrost, du nom du médecin allemand Johann Gottlob Leidenfrost.
Cette température chaude est bien supérieure au point d’ébullition de l’eau à 100 degrés Celsius, car la chaleur doit être suffisamment élevée pour former instantanément une couche de vapeur. Trop bas et les gouttelettes ne planent pas. Trop élevée et la chaleur vaporisera la totalité de la gouttelette.
Nouveaux travaux en surface
La mesure traditionnelle de l’effet Leidenfrost suppose que la surface chauffée est plate, ce qui fait que la chaleur atteint uniformément les gouttelettes d’eau. Travaillant au laboratoire de physique des fluides de Virginia Tech, l’équipe de Cheng a trouvé un moyen d’abaisser le point de départ de l’effet en produisant une surface recouverte de micropiliers.
« Comme les papilles d’une feuille de lotus, les micropiliers font plus que décorer la surface », a déclaré Cheng. « Ils confèrent à la surface de nouvelles propriétés. »
Les micropiliers conçus par l’équipe de Cheng mesurent 0,08 millimètre de haut, soit à peu près la même largeur que la largeur d’un cheveu humain. Ils sont disposés selon un motif régulier espacé de 0,12 millimètres. Une gouttelette d’eau en englobe 100 ou plus. Ces minuscules piliers se pressent dans une gouttelette d’eau, libérant de la chaleur à l’intérieur de la gouttelette et la faisant bouillir plus rapidement.
Par rapport à l’opinion traditionnelle selon laquelle l’effet Leidenfrost se déclenche à 230 degrés Celsius, les micropiliers en forme de réseau d’ailerons impriment plus de chaleur dans l’eau qu’une surface plane. Cela provoque la lévitation des microgouttelettes et leur saut de la surface en quelques millisecondes à des températures plus basses, car la vitesse d’ébullition peut être contrôlée en modifiant la hauteur des piliers.
Abaisser les limites de Leidenfrost
Lorsque la surface texturée a été chauffée, l’équipe a découvert que la température à laquelle l’effet flottant était obtenu était nettement inférieure à celle d’une surface plane, commençant à 130 degrés Celsius.
Il s’agit non seulement d’une découverte inédite pour la compréhension de l’effet Leidenfrost, mais aussi d’une révolution par rapport aux limites précédemment imaginées. Une étude de 2021 de l’Université Emory a révélé que les propriétés de l’eau provoquaient en fait l’échec de l’effet Leidenfrost lorsque la température de la surface chauffée descendait à 140 degrés. Grâce aux micropiliers créés par l’équipe de Cheng, l’effet est durable même 10 degrés en dessous.
« Nous pensions que les micropiliers modifieraient le comportement de ce phénomène bien connu, mais nos résultats ont même défié notre imagination », a déclaré Cheng. « Les interactions bulle-gouttelette observées constituent une découverte majeure pour le transfert de chaleur par ébullition. »
L’effet Leidenfrost est plus qu’un phénomène intrigant à observer, c’est aussi un point critique dans le transfert de chaleur. Lorsque l’eau bout, elle élimine plus efficacement la chaleur d’une surface. Dans des applications telles que le refroidissement des machines, cela signifie que l’adaptation d’une surface chaude à l’approche texturée présentée par l’équipe de Cheng permet d’évacuer la chaleur plus rapidement, réduisant ainsi le risque de dommages causés lorsqu’une machine devient trop chaude.
« Nos recherches peuvent prévenir des catastrophes telles que les explosions de vapeur, qui constituent des menaces importantes pour les équipements industriels de transfert de chaleur », a déclaré Huang. « Les explosions de vapeur se produisent lorsque les bulles de vapeur dans un liquide se dilatent rapidement en raison de la présence d’une source de chaleur intense à proximité. Un exemple de cas où ce risque est particulièrement pertinent est celui des centrales nucléaires, où la structure de surface des échangeurs de chaleur peut influencer la croissance des bulles de vapeur et potentiellement déclencher de telles explosions. Grâce à notre exploration théorique dans le document, nous étudions comment la structure de la surface affecte le mode de croissance des bulles de vapeur, fournissant ainsi des informations précieuses sur le contrôle et l’atténuation du risque d’explosions de vapeur.
Un autre défi abordé par l’équipe concerne les impuretés que les fluides laissent dans les textures des surfaces rugueuses, ce qui pose des problèmes d’autonettoyage. Dans des conditions de nettoyage par pulvérisation ou de rinçage, ni le Leidenfrost conventionnel ni les gouttelettes froides à température ambiante ne peuvent éliminer complètement les particules déposées sur la rugosité de la surface.
Grâce à la stratégie de Cheng, la génération de bulles de vapeur est capable de déloger ces particules de la rugosité de la surface et de les suspendre dans la gouttelette. Cela signifie que les bulles bouillantes peuvent à la fois éloigner la chaleur et les impuretés de la surface.
Plus d’information:
Physique naturelle (2024).