Hiện tượng những giọt chất lỏng bật khỏi bề mặt là chuyện thường ngày, như mưa rơi trên lá sen hay nước sôi trên chảo nóng, lơ lửng và trượt đi – hiệu ứng Leidenfrost. Ngược lại, cũng có hiệu ứng Leidenfrost ngược, được mô tả lần đầu tiên vào năm 1969, trong đó một vật thể nóng như một giọt chất lỏng lơ lửng trên bề mặt lạnh. Hiểu rõ cơ chế của những hiện tượng này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng thực tiễn, chẳng hạn như tự làm sạch, chống đóng băng, chống mờ, in ấn bằng điện tích bề mặt hay các hệ thống logic dựa trên giọt chất lỏng.
Thông thường, giọt chất lỏng chỉ bật lên nếu bề mặt được làm nóng quá mức hoặc được thiết kế đặc biệt để giảm độ dính. Các nhà vật lý từ Đại học Thành phố Hồng Kông đã tìm ra cách để đạt được hiện tượng này với các giọt dầu nóng trên hầu hết mọi bề mặt, theo một bài báo mới được công bố trên tạp chí Newton. Như chúng ta đã từng biết, năm 1756, nhà khoa học người Đức Johann Gottlob Leidenfrost đã ghi nhận hiện tượng bất thường này. Ông nhận thấy, nước bắn lên chảo rất nóng sẽ sôi sùng sục và bay hơi rất nhanh. Nhưng nếu nhiệt độ của chảo cao hơn nhiều so với điểm sôi của nước, những “giọt sáng long lanh như thủy ngân” sẽ hình thành và di chuyển trên bề mặt. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Leidenfrost” để vinh danh ông.
Trong 250 năm tiếp theo, các nhà vật lý đã đưa ra lời giải thích hợp lý cho hiện tượng này. Nếu bề mặt đạt ít nhất 400° Fahrenheit (cao hơn nhiều so với điểm sôi của nước), lớp hơi nước sẽ hình thành ở bên dưới, giữ cho giọt nước lơ lửng. Hiệu ứng Leidenfrost cũng hoạt động với các chất lỏng khác, bao gồm dầu và rượu, nhưng nhiệt độ mà nó xuất hiện sẽ khác nhau. Hiện tượng này vẫn tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà vật lý. Ví dụ, năm 2018, các nhà vật lý người Pháp phát hiện ra rằng các giọt nước không chỉ di chuyển trên lớp đệm hơi; miễn là chúng không quá lớn, chúng cũng tự đẩy mình đi. Năm 2019, một nhóm các nhà khoa học quốc tế cuối cùng đã xác định được nguồn gốc của âm thanh nứt vỡ kèm theo mà Leidenfrost đã báo cáo. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng nó phụ thuộc vào kích thước của giọt nước; những giọt lớn hơn là những giọt phát nổ với tiếng nứt đặc trưng đó. Thậm chí, bạn có thể tạo ra hiệu ứng Leidenfrost với đá, như các nhà vật lý tại Virginia Tech đã chứng minh vào năm 2022.
Các nhà vật lý Hồng Kông quan tâm đến các giọt nóng va vào bề mặt lạnh. Nghiên cứu trước đây cho thấy có ít hiệu ứng bật nảy hơn trong các trường hợp liên quan đến các giọt nước nóng, với các giọt nước dính vào bề mặt thay vì bật ra do nhiều yếu tố như giảm sức căng bề mặt của giọt nước. Nhóm nghiên cứu Hồng Kông đã phát hiện ra rằng họ có thể đạt được hiệu ứng bật nảy tốt hơn bằng cách sử dụng các giọt nóng của chất lỏng ít dễ bay hơi hơn — cụ thể là n-hexadecane, dầu đậu nành và dầu silicon, có áp suất bão hòa thấp hơn so với nước.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm những giọt nóng này (cũng như những giọt đang cháy và ở nhiệt độ bình thường) trên nhiều bề mặt rắn, lạnh, bao gồm kính bị xước, kính trơn, bề mặt acrylic, bề mặt có lớp phủ chống thấm từ muội than và bề mặt được phủ các hạt nano với khả năng “thấm ướt” khác nhau (tức là mức độ mà các hạt dính vào bề mặt). Họ đã ghi lại hành vi của các giọt nước bằng cả camera tốc độ cao và camera nhiệt, được bổ sung bằng mô hình máy tính. Các giọt ở nhiệt độ phòng dính vào tất cả các bề mặt như dự đoán, nhưng các giọt nóng và đang cháy thì bật lên. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng đáy của một giọt nóng nguội nhanh hơn đỉnh khi nó tiếp cận bề mặt ở nhiệt độ phòng, điều này khiến chất lỏng nóng hơn bên trong giọt nước chảy từ các cạnh về phía đáy. Không khí bị kéo xuống đáy cùng với nó tạo thành một lớp đệm mỏng ở đó và ngăn giọt nước tiếp xúc với bề mặt, thay vào đó là bật ra. Họ gọi hành vi này là “tự bôi trơn bật nảy”.
Jonathan B. Boreyko của Virginia Tech, người không tham gia vào nghiên cứu, đã viết trong một bài bình luận kèm theo rằng: “Hiện nay rõ ràng là các chiến lược bật nảy của giọt nước không chỉ giới hạn ở việc thiết kế bề mặt mà các tính chất nhiệt vật lý của chính các giọt nước cũng rất quan trọng”. Các ứng dụng trong tương lai bao gồm cải thiện hiệu suất đốt cháy nhiên liệu hoặc phát triển các lớp phủ chống cháy tốt hơn. Đồng tác giả Pingan Zhu cho biết: “Nếu các giọt đang cháy không thể dính vào bề mặt, chúng sẽ không thể đốt cháy các vật liệu mới và cho phép lửa lan rộng. Nghiên cứu của chúng tôi có thể giúp bảo vệ các vật liệu dễ cháy như dệt may khỏi các giọt đang cháy. Giới hạn lửa ở một khu vực nhỏ hơn và làm chậm sự lan rộng của chúng có thể giúp lính cứu hỏa có thêm thời gian để dập tắt chúng.”
Nguồn: https://arstechnica.com/science/2025/03/these-hot-oil-droplets-can-bounce-off-any-surface/