你可能见过这样的场景：当把水倒进一个滚烫的锅里时，水滴漂浮在锅底，隔着水蒸汽层的间隙滑行在锅底。这种奇怪的物理现象叫做莱顿弗罗斯特效应，它对许多工业和自然过程至关重要。
1756年，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）在《论普通水的性质》一书中首次描述了这种现象。他发现当水接触到比其沸点高得多的表面时，水滴会迅速蒸发，产生一层隔热蒸汽层，促使水滴悬浮在表面上。
尽管莱顿弗罗斯特效应在几个世纪前就被描述过，但仍有许多关于它的特征存疑。例如，不同研究报告中的水蒸汽层生成温度有显着差异。这提出了莱顿弗罗斯特效应的一个关键悬而未决的问题：水蒸汽层的生成和消散温度是多少？
一些理论认为，这一温度范围取决于金属表面的类型，甚至与水的盐分含量有关。现在，埃默里大学的一个物理学家团队开发出了一种研究这一现象的新电气技术。
利用这项新技术，他们证明了莱顿弗罗斯特水蒸汽层可以在远低于其形成所需的温度下持续存在。具体来说，他们发现莱顿弗罗斯特水蒸汽层在约240℃的温度下形成，并在约140℃时消散。他们已将研究结果发表在《物理评论快报》上，这对物理学领域的理论和实践可能都有重要意义。
在过去的研究中，物理学家主要关注于测量蒸汽层的温度和记录液体与金属表面之间的通量，他们还没有确切地发现蒸汽层最终是如何消散的。他们观察到，水蒸汽层的消散伴随液体与固体表面接触和快速爆炸性沸腾。
在这项新研究中，研究团队将重点放在悬浮在莱顿弗罗斯特效应的水滴的动力学上，比如它们如何移动、振荡等等。这通常发生在极高的温度下。这对精确定量水蒸汽层提出了挑战，因为水蒸汽层非常薄且形成时间很短。
利用新开发的高速电气技术，研究人员能够以更精确的方式测量蒸汽层的厚度和动力学。这是一项全新的探测系统，简单来说，他们将水蒸汽层作为电路的一部分，然后测量它们的电容，从而可以在水蒸汽层的形成过程中精确地检测其厚度随时间的变化。
这些图像展示了水蒸汽层在一个浸入水中的热金属圆柱棒周围的失效过程。水蒸汽层最初在圆柱棒的顶端失效，气泡在液体润湿固体时迅速形成并垂直向上移动。第一张和最后一张图像大约相隔 1 毫秒，金属圆柱棒的直径为 1.6 厘米。|图片来源：Harvey, Harper & Burton
为了应用这种方法，研究人员用钛、铜和黄铜制成了直径不到一英寸的金属圆柱棒，并在上面涂上 10 纳米的黄金涂层以防止金属腐蚀。随后，他们进行了一系列实验，让这些圆柱棒受热，然后将它们浸入一个装有电极的水浴中。当莱顿弗罗斯特蒸汽层形成时，就形成了一个电容器——一个极板是水浴中的电极，另一个极板是金属圆柱棒的表面。
除了收集有关水蒸汽层的一些测量数据外，研究人员还使用高速视频记录了从水蒸汽层形成到系统自然冷却蒸汽层消散的整个过程。结果表明，稳定水蒸汽层的平均形成温度为 240℃，确切的温度根据金属表面的类型而变化。令人惊讶的是，他们发现，虽然水蒸汽层的形成温度约为 240℃，但无论哪种金属，也无论水中的盐分含量是多少，水蒸汽都不会在温度降至 140℃ 以下时消散。
这些结果表明，莱顿弗罗斯特水蒸汽层可以在比其形成所需的温度低得多的温度下持续存在，并且它的失效点与蒸汽层本身的流体力学稳定性有关，而不是物质特性。一旦系统温度降到 140℃ 以下，蒸汽层一定不能持续存在。也就是说，这个阈值似乎是由纯粹的流体力学机制决定的，这一发现与先前的理论相悖。
研究人员认为，这项工作中最显著的发现是，似乎有一个让莱顿弗罗斯特水蒸汽层形成的“上限温度”和一个让其失效的“下限温度”。对于许多实验和工业来说，了解这个失效点的动力至关重要。
这项研究对行星科学也有重大影响，为探索喷发等现象提供了新见解。自然界中，莱顿弗罗斯特水蒸气层也出现在水和从海底火山喷出的熔岩之间的界面上。值得注意的是，在火星上，类似的效应可能存在于固态二氧化碳块中，这些二氧化碳块以干冰形式沿着火星沙丘“驰骋”。
研究人员提出，由二氧化碳驱动的“莱顿弗罗斯特引擎”未来或许可以为人类在火星上的定居提供能源。但目前，科学家们仍无法确切解释蒸汽层消失的原因。研究团队正在进行一系列数值模拟，以探明蒸汽层如何在低温下失去稳定性。新研发的超高速电子技术将辅助莱顿弗罗斯特效应的进一步探索，全面揭开这一现象的奥秘。