在热表面上悬浮起来的冰 冷冻固体水也有莱顿弗罗斯特效应

副教授 Jonathan Boreyko 和研究生 Mojtaba Edalatpour 发现了水的新特性，为两个多世纪前发现的现象提供令人兴奋的注脚。这一发现还为工业应用中冷却设备和工艺提供了有趣的可能性。他们的工作于 1 月 21 日发表在《物理评论·流体》上。

水可以以三种状态存在：冷冻固体、液体和气体。

当热源足够热时，水的行为会发生巨变。根据 Boreyko 的说法，在加热到150摄氏度或以上的铝板上的水滴将不再沸腾。相反，液滴接近表面时形成的蒸汽将被困在液滴下方，形成一个缓冲垫，防止液体与表面直接接触。被困的蒸汽使液体悬浮。这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应，以德国医生和神学家的名字命名，后者在 1751 年的出版物中首次描述了这种现象。

这一被普遍接受的科学定律适用于液体水。 Boreyko的团队想知道：冰就不行吗？

“有很多关于悬浮液体的论文，我们想问关于悬浮冰的问题。 它最初是一个源于好奇心的项目。”

大约五年前，好奇心引发了Boreyko的学术兴趣，当时的本科生 Daniel Cusumano 参加了调查。

即使将铝加热到 150 摄氏度以上，冰也不会像液体那样悬浮在蒸汽上。Cusumano 继续提高温度，观察冰在热量增加时的行为。他发现悬浮的阈值要高得多：550 摄氏度。直到那个阈值前，冰下的融水继续与地表直接接触沸腾，而不表现出莱顿弗罗斯特效应.

不久之后，研究生 Mojtaba Edalatpour 重新启动了该项目，以解开冰的阈值为何如此高的谜团。 Edalatpour 一直在与 Boreyko 合作开发新的传热方法，并将这些知识用于解决这个问题。

答案原来是冰下融水层的温差。融水层有两个不同的极：它的底部是沸腾的，将温度固定在 100 摄氏度左右，但它的顶部粘附在剩余的冰上，将其固定在 0 摄氏度左右。Edalatpour 的模型显示，维持这个温度差消耗了大部分表面的热量，这解释了为什么悬浮对冰来说更困难。

对于冰的莱顿弗罗斯特效应，550 摄氏度的高温实际上很重要。水是最有价值的热容物，可以把热量从基材上吸走。这意味着悬浮冰的阈值实际上是一件好事，因为与单独使用液体相比，较大的沸腾温度窗口将导致更好的热传递。

当团队探索实际应用的可能性时，由于 Edalatpour 在传热方面进行了广泛的研究，因此该主题变得合乎逻辑。

热传递在冷却计算机服务器或汽车发动机等物体方面发挥最大作用。它需要一种可以移动的物质远离热表面，快速重新分配热量以减少金属部件的磨损。在核电站中，应用冰来诱导快速冷却可能成为停电时易于部署的应急措施，或成为维修电厂部件的常规做法。

在冶金方面也有潜在的应用。为了生产合金，有必要在很短的时间内淬灭金属的热量，使金属更坚固、更不易碎。如果使用冰，它将允许热量通过三个水相快速卸载，从而快速冷却金属。

Boreyko 还预见到了在消防方面的应用潜力。

“你可以想象有一个特制的软管喷射冰屑而不是水射流，这不是科幻小说。我参观了一家拥有结冰隧道的航空航天公司，他们已经拥有了这项技术，其中喷嘴喷射出冰粒而不是水滴。”

凭借无数的可能性，Boreyko 和 Edalatpour 感到兴奋。回顾过去五年，他们仍然将这一激动人心的发展归功于他们共同的好奇心和在研究中创新的动力。

https://phys.org/news/2022-01-ice-discovery-18th-century-principle.html