מה יקרה אם נטפטף מים על מחבת חמה? טוב, זה קל, המים יתאדו כמעט מיידית... נכון? אז זהו שלא. תופעה מעניינת מאפשרת לטיפות נוזל לרחף מעל משטחים לוהטים - אפקט ליידנפרוסט.

כולנו למדנו מתישהו שטמפרטורת הרתיחה של מים היא בערך 100 מעלות צלזיוס. לכן, אין זה מפתיע שאם נטפטף מים על מחבת בטמפרטורה של 150 מעלות, הטיפה תתאדה כמעט מיידית. נשאלת השאלה – מה יקרה אם נעלה את טמפרטורת המחבת ב- 100 מעלות נוספות? האם עכשיו טיפת המים תתאדה מהר יותר? מתברר שבניגוד לאינטואיציה, לא רק שהטיפה תתאדה יותר לאט, אלא שקצב האידויי שלה יקטן עד פי 500!

הראשון שדיווח על תופעה מוזרה זאת היה רופא גרמני בשם יואן גוטלוב ליידנפרוסט, שפרסם בשנת 1751 כתב יד תחת הכותרת "חיבור על מספר תכונות של מים מצויים" [1], ובו תיאר (בין היתר) התנהגות של מים במגע עם משטחים לוהטים. ליידנפרוסט התבונן בטיפות מים שבאות במגע עם משטח הנמצא קצת מעל טמפרטורת הרתיחה של המים, וראה (לא במפתיע) שהטיפות נמרחות על המשטח, רותחות ומתאדות כמעט מיידית.

ההפתעה הגיעה כאשר ליידנפרוסט המשיך להעלות את טמפרטורת המשטח וגילה שמעל טמפרטורה מסוימת (שנקראת היום נקודת ליידנפרוסט), הטיפות הפסיקו לרתוח, ובמקום התחילו לרחף מעל המשטח הלוהט. ההסבר לתופעה הוא שמעל נקודת ליידנפרוסט, שכבת המים שבאה במגע עם המשטח מתאדה כמעט מיידית ומייצרת שכבה דקה (בין עשירית למאית המילימטר) של אדי מים, המפרידה בין טיפת המים לבין המשטח. הלחץ בשכבת האדים גורם לטיפה לרחף מעל המשטח ממש כמו על כרית אוויר, ומכיוון ששכבת האדים מוליכה חום ממש רע, הטיפה לא ממשיכה לרתוח אלא מתאדה בקצב מאוד איטי. אתם מוזמנים לראות הדגמה למוליכות החום הנמוכה באפקט ליידנפרוסט בחנקן נוזלי, בקישור לפוסט שלנו בפייסבוק.

החלק הכי מעניין באפקט ליידנפרוסט, הוא שהטיפות המרחפות הן בעלות תנועתיות מאד גבוהה, והן נעות בקלות (ולרוב באופן ספונטני) על גבי המשטח הלוהט כמעט בלי חיכוך! בשנת 2006 קבוצה של חוקרים מארה"ב ואוסטרליה הראו שטיפות ליידנפרוסט יכולות לנוע נגד כח הכבידה במעלה משטח משופע, במידה והמשטח משונן עם שיניים אסימטריות [2]. מאמר זה הדגים לראשונה שניתן לרתום את האפקט לצורך הנעה מדוייקת של טיפות קטנות על משטחים חמים.

יכולת שליטה בתנועה של טיפות נוזל קטנות היא בעלת חשיבות מאד גדולה עבור תחומי מחקר ותעשייה רבים. החל מתעשיית התרופות והקוסמטיקה, ועד לתחומי מחקר כגון מעבדה על שבב, הדפסות דיו ותלת מימד ואף מערכות קירור במיקרואלקטרוניקה, בכולן נדרשת יכולת להניע טיפות קטנות של נוזל או גז. למשל אמולסיות בקרמים, או הנעה של טיפות גז בתוך תעלה קטנטנה מלאה בנוזל. הבעיה היא, שנקודת ליידנפרוסט של מים היא בערך 200 מעלות צלזיוס, לא בדיוק הטמפרטורה הכי נוחה לעבודה, מה שגרם לחוקרים רבים לנסות למצוא דרכים להוריד טמפרטורה זאת לתחום קצת יותר נוח לעבודה. בשנת 2012 פורסם מאמר שהדגים שעל משטחים סופר-הידרופוביים (ראו קישור לסדרה שפרסמנו על חומרים סופר-הידרופוביים), ניתן לראות את אפקט ליידנפרוסט אפילו אם מקררים את המשטח הלוהט מתחת ל 100 מעלות מבלי ששכבת האדים תקרוס [3], מה שמאפשר לעבוד בטווח טמפרטורות הרבה יותר "ידידותי למשתמש".

אפקט ליידנפרוסט ממשיך למשוך את תשומת הלב של מיטב החוקרים בתחום, ולפי כחודש פורסם מאמר בכתב העת היוקרתי Nature Physics, ובו קבוצה של חוקרים מצרפת הצליחה למפות את הכיוונים שאליהם זורם הנוזל (שדה הזרימה) בתוך טיפת ליידנפרוסט בזמן שהיא מרחפת, ובכך לשפר את ההבנה שלנו לגבי התנועתיות של הטיפות [4]. במאמר זה הראו החוקרים שטיפות קטנות (עם קוטר של מילימטר ומטה) מתגלגלות כמקשה אחת, ממש כמו גלגלים קטנים, כאשר טיפות גדולות יותר מייצרות שדות זרימה יותר מורכבים בתוכן. כמו כן, הראו החוקרים שהטיפות הקטנות בוחרות את כיוון התנועה שלהן באופן אקראי, בזמן שהטיפות הגדולות יותר נעו כולן לכיוון אחד. הסיבה לכך היא שהטיפות הגדולות "הרגישו" את השיפוע של המשטח (שיפוע של פחות ממאית המעלה!) הודות לכך שיש להן מסה גדולה יותר.

לסיכום, נציין שאפקט ליידנפרוסט מהווה דוגמה נפלאה לתופעה מורכבת ועשירה שכולנו יכולים לראות בתנאים ביתיים ושעדיין אין לנו הבנה מלאה שלה. עולם שלם בתוך טיפת מים.

מקורות
[1] Johann Gottlob Leidenfrost, Int. J. heat mass transfer, 9, 1153-1166, 1966.
[2] H. Linke, et al., Phys. Rev. Lett., 96, 154502, 2006.
[3] I. U. Vakarelsk et al., Nature, 489, 274–277, 2012.
[4] A. Bouillant et al., Nature Physics, 2018.