氣泡是被空氣包圍的薄液體殼。雖然不太為人所知，但也有反氣泡，它與氣泡相反，即被液體包圍的薄層蒸汽。在一項新的研究中，我們表明，通過將揮發性液體液滴撞擊到加熱到液滴沸點以上的粘性油浴中，可以產生抗氣泡。

　　我們是在法國里昂熱大學的實驗室(GRASP)研究另一個關于液體浴中揮發性液滴的萊頓弗羅斯特效應的問題時，偶然發現了這一現象。

　　在這項研究中，我們將揮發性液滴輕輕沉積在粘油熱浴中。最初的想法是盡可能減少液滴的運動，以免影響對萊頓弗羅斯特效應開始的測量。這種效應以18世紀一位德國科學家的名字命名，它與水滴在熱鍋上移動幾乎沒有摩擦的典型情況相對應。這項研究發表在《物理評論快報》雜志上。

　　實際上，平底鍋提供的熱量使液滴蒸發，從而有效地使液滴懸浮在熱表面之上。進一步說，萊頓弗羅斯特效應適用于任何物體被氣體層隔開的情況，氣體層是由基片的熱量傳遞引起的，氣體層是由其自身的蒸發維持的。

　　然而，在這項研究的過程中，我們注意到，如果我們從更高的地方釋放揮發性液滴，液滴的動能允許它穿透鍍液，被一層薄薄的氣體包圍。隨后動態形成的氣包柱不穩定，最終被擠壓掉。結果是液滴被液體浴包圍的薄層蒸汽包裹，即反泡。

　　這種物體以前是在等溫條件下制成的，但它們的存在時間極短，不到100毫秒。事實上，由于反氣泡底部的靜水壓力比頂部的高，重力驅動的排水系統促進了氣體的流動。

　　然后底部變得更薄，更脆弱，最終液滴和浴液中的液體接觸，導致防泡失效。然而，當揮發性液滴在過熱的浴液中使用時，從浴液流向液滴的熱量通過薄氣殼形成，液滴隨后的汽化可以抵消排水的影響。

　　由此產生的反泡沫效果要持久得多。由于這些相對穩定的防氣泡的物理起源是浴液和液滴之間的溫度差異，我們為這些物體創造了術語“熱防氣泡”。

　　作為第一步，我們系統地研究了沖擊條件，即進入液滴的慣性，以及導致熱反泡形成的浴液與液滴之間的溫差。我們建立了一個相圖，作為這兩個參數的函數，可以為他們在研究中考慮的一對流體創建反氣泡。

　　然后，我們重點研究了熱反泡形成后的動力學。我們觀察到，當組成液滴的液體密度大于粘性液滴的密度，并且液滴周圍的蒸汽層最初非常薄時，反泡首先在液中下沉。當水浴的溫度高于液滴的沸點時，液滴就會蒸發，并在不沸騰的情況下進入防泡劑的氣體層(這就是萊頓弗羅斯特的神奇之處)。

　　由于蒸汽的產生，反泡的浮力增加，并達到等于液滴重量的一點，反泡停止。隨后，反氣泡的浮力克服了液滴的重量，液滴的運動向浴液表面方向逆轉。

　　當反泡完成了它在熱浴中的旅程時，我們追蹤了反泡的輪廓，并推斷出它的體積作為時間的函數。對于半徑約為800 μm的液滴，當液池與液滴之間的溫差接近80℃時，我們觀察到在約200 ms內，防泡體積增加了3倍。對于較大的溫差，反氣泡的膨脹率甚至更高。

　　為了使他們的觀察合理化，我們來自布魯塞爾自由大學TIPs實驗室的同事們參與了這項研究，他們努力對這個問題進行建模。由于導致液滴蒸發的傳熱受氣體層厚度的影響，而氣體層本身又受重力排水的影響，因此必須編寫熱和流體傳輸的耦合模型。

　　第一步是調整先前開發的模型，使液態襯底上的萊頓弗羅斯特液滴問題中的蒸氣層動力學合理化。但不幸的是，這種方法預測的反氣泡膨脹率要高得多，大約是實驗觀察到的20倍。

　　我們努力尋找這個模型缺失的成分。最后，我們發現缺失的部分是液滴在室溫下撞擊時的熱化，以及從浴槽中泵出熱能以達到其沸騰溫度。在涉及萊頓弗羅斯特液滴的問題中，液滴熱化的影響通常被忽略，因為它涉及到液滴的早期動力學，而實驗主要研究這些液滴的總壽命。

　　在目前的熱反泡問題中，我們證明了液滴的熱化是預測其動力學的必要條件。在沒有熱化作用的情況下，反氣泡的膨脹率會大得多，這將大大縮短它們的壽命，使這些物體比它們的實際壽命更短暫。

　　一個球體的擴散熱化在其界面上突然達到與中心不同的溫度，在文獻中有一個解析解。幸運的是，由于考慮了較短的時間尺度，可以進一步簡化初始解，并且可以輕松地實現模型的計算。

　　液滴熱化的重要性的一個實驗證明是小衛星液滴的信念，當母液滴在撞擊的瞬間被浴液擠壓掉時，有時會出現小衛星液滴。這些衛星液滴的膨脹率比母液滴高得多。這種差異是如此之大，以至于小反泡的體積可以很快達到大反泡的體積。這一觀測結果直接證明了液滴熱化的主要作用，因為衛星液滴由于體積小，熱化速度比母液滴快得多。

　　事實上，在描述這個問題的方程中，只有熱化項才能使這一觀察結果合理化。在一天結束的時候，事實證明，在它產生后的前100毫秒內，萊頓弗羅斯特液滴將大約95%的熱量從浴液中抽出來加熱而不是蒸發，這可以從現有的模型中得出結論。

　　我們認為，熱反泡是一種獨特的對象，可以直接看到揮發液滴在不同熱條件下的蒸發速率和液滴熱化的后果。

　　在未來，這些物體可以被視為在不同實際情況下估計流體熱性能的小探針。最后，如果這些熱反泡的壽命確實比等溫反泡長幾倍，我們還沒有完全滿意。這些物體的限制因素是，在到達界面后，由于它們的密度迅速變化，它們看起來很像規則的表面氣泡，不能再被認為是反氣泡了。

　　關于這個主題的下一個故事應該是在無重力的環境中寫的，希望在更大的時間尺度上，這要歸功于歐洲航天局批準的一個項目，該項目可能在2024年進行拋物線飛行。

　　這個故事是科學X對話的一部分，研究人員可以在這里報告他們發表的研究文章的發現。請訪問此頁面了解有關ScienceX對話框的信息以及如何參與。

　　該團隊包括來自比利時和法國三個實驗室的軟物質研究人員。Benoid Scheid和stsamphane Dorbolo在過去對等溫反氣泡問題做出了重要貢獻。Laurent Maquet和Baptiste Darbois Texier研究了涉及萊頓弗羅斯特效應的各種問題。Jonas Miguet是流體薄膜傳質方面的專家。所有這些技術結合在一起，使這些新物體的動力學合理化成為可能，我們稱之為“熱反氣泡”。