Vidéo au ralenti de la glace bouillante, un projet de recherche du laboratoire des fluides et interfaces inspirés de la nature de Virginia Tech.
Versez quelques gouttes d’eau sur une poêle très chaude et grésillante et elles léviteront, glissant autour de la poêle avec un abandon sauvage. Selon un nouvel article publié dans la revue Physical Review Fluids, des physiciens de Virginia Tech ont découvert que cela pouvait également être réalisé en plaçant un mince disque plat de glace sur une surface en aluminium chauffée. Le hic : il y a une température critique beaucoup plus élevée qui doit être atteinte avant que le disque de glace ne lévite.
Comme nous l’avons signalé précédemment, en 1756, un scientifique allemand nommé Johann Gottlob Leidenfrost a rapporté son observation du phénomène inhabituel. Normalement, a-t-il noté, l’eau projetée sur une casserole très chaude grésille et s’évapore très rapidement. Mais si la température de la casserole est bien au-dessus du point d’ébullition de l’eau, des « gouttes brillantes ressemblant à du mercure » se formeront et glisseront sur la surface. C’est ce qu’on appelle « l’effet Leidenfrost » en son honneur.
Au cours des 250 années qui ont suivi, les physiciens ont trouvé une explication viable pour expliquer pourquoi cela se produit. Si la surface est à au moins 400 degrés Fahrenheit (bien au-dessus du point d’ébullition de l’eau), des coussins de vapeur d’eau, ou de vapeur, se forment en dessous, les maintenant en lévitation. L’effet Leidenfrost fonctionne également avec d’autres liquides, y compris les huiles et l’alcool, mais la température à laquelle il se manifeste sera différente.
Le phénomène continue de fasciner les physiciens. Par exemple, en 2018, des physiciens français ont découvert que les gouttes ne se contentaient pas de rouler sur un coussin de vapeur ; tant qu’ils ne sont pas trop gros, ils se propulsent aussi. C’est à cause d’un déséquilibre dans le flux de fluide à l’intérieur des gouttes de Leidenfrost, agissant comme un petit moteur interne. Les grosses gouttes montraient un flux équilibré, mais au fur et à mesure que les gouttes s’évaporaient, devenant plus petites (environ un demi-millimètre de diamètre) et plus sphériques, un déséquilibre des forces s’est développé. Cela a fait rouler les gouttes comme une roue, aidées par une sorte d’effet de « cliquet » d’une inclinaison vers le bas dans la même direction que le fluide dans la gouttelette s’écoulait. Les physiciens français ont surnommé leur découverte une « roue de Leidenfrost ».
En 2019, une équipe internationale de scientifiques a finalement identifié la source du son de craquement qui l’accompagne signalé par Leidenfrost. Les scientifiques ont découvert que cela dépendait de la taille de la gouttelette. Les gouttes plus petites glisseront de la surface et s’évaporeront, tandis que les gouttes plus grosses exploseront avec cette fissure révélatrice. Le coupable est les contaminants particulaires, présents dans presque tous les liquides. Les gouttes plus grosses commenceront avec une concentration plus élevée de contaminants, et cette concentration augmente à mesure que les gouttelettes rétrécissent. Ils se retrouvent avec une concentration si élevée que les particules forment lentement une sorte de coquille autour de la gouttelette. Cette coquille interfère avec le coussin de vapeur qui maintient la goutte en l’air et elle explose lorsqu’elle touche la surface.
Et l’année dernière, les scientifiques du MIT ont déterminé pourquoi les gouttelettes sont propulsées sur une surface huileuse chauffée 100 fois plus rapidement que sur du métal nu. Dans les bonnes conditions, une fine couche s’est formée à l’extérieur de chaque gouttelette, comme un manteau. Au fur et à mesure que la gouttelette devenait plus chaude, de minuscules bulles de vapeur d’eau ont commencé à se former entre la gouttelette et l’huile, puis se sont éloignées. Des bulles ultérieures se sont généralement formées près des mêmes points, formant une seule traînée de vapeur qui a servi à pousser la gouttelette dans une direction préférée.
Mais pouvez-vous obtenir l’effet Leidenfrost avec de la glace ? C’est ce que l’équipe de Virginia Tech a entrepris de découvrir. « Il y a tellement d’articles sur la lévitation de liquide que nous voulions poser la question sur la lévitation de la glace », a déclaré le co-auteur Jonathan Boreyko. « Cela a commencé comme un projet de curiosité. Ce qui a motivé nos recherches était la question de savoir s’il était possible ou non d’avoir un effet Leidenfrost triphasé avec du solide, du liquide et de la vapeur.