在油锅中如何优雅地“遛”水珠

  如果你擅长烹饪，你可能知道用于测试不锈钢平底锅是否加热到合适温度的“水滴法”。你所需要做的就是在加热平底锅时往里面洒几滴水，达到合适的温度后水不会继续蒸发，而是会形成小水珠在锅面快速滑动。

  测试必须在无油的平底锅中进行，某些厨房小白或许有过向热油锅里加水时的惨痛经历，这会让水迅速沸腾带出滚烫的油星四处飞溅。人们很早就观察到了水珠跑锅的现象，但一直没弄清原理。麻省理工学院（MIT）机械工程系的克丽帕·瓦拉纳西（Kripa Varanasi）博士如此解释道：“水在蒸发时会形成隔热的蒸汽层，水珠悬浮在蒸汽层上，摩擦力极小，所以水珠能四处滑动：这一现象被称作莱顿弗罗斯效应（Leidenfrost Phenomenon）。当平底锅温度较低时，这些水珠就会开始沸腾，但此时它们会直接附着在锅面上。”

  但最近，瓦拉纳西博士和他的研究生维克多·利昂（Victor Leon）开始更仔细地研究热油与水之间的相互作用。“我们得知了很有趣的现象：如果表面上有一层薄薄的油层，滴上水珠也能得到上述两种现象。但在这两者之间，还存在着另一种状态，能让水珠以极高的速度在表面滚动。”

  实验相当简单，在你家厨房里就能做。研究人员只用到了一块热的面板，可以再一次进行选择金属板或是表面覆盖硅片的平板，涂上油（他们使用的是硅油），然后用注射器精确滴下水珠。相比你在厨房里的实验，实验室里更精准的地方只在于涂油时他们用到了旋涂法，这样子就能够涂出极薄且非常均匀的油层，厚度大约为10微米，只有头发丝直径的一半。最后，研究人员使用高速成像设备对实验结果进行成像。

  这里有好几个点令人惊讶：首先，水珠是自发滚动出去的。这一点很快就得到了解释。“简单来说，这是动量传递的结果。如果在给气球充气之后松手，气球会没头没脑朝各个方向飞出去，对吧？”热板上的油会包住水珠形成薄薄的油层，就像气球一样，而里面的水受热变成蒸汽，最终冲破油层，就像松开手的气球一样，四处跑动。

  第二件令他们困惑的事是，这里水珠运动的速度远超于了悬浮的莱顿弗罗斯特水珠，实际上快了10到100倍。这很奇怪，因为水珠和油层是相互接触的，它的速度应该比悬浮的水珠低才对。

  “我们相当困惑，因为水珠的速度看上去就像是在无限的液体池上运动。”展开实验的利昂说道，基于所观察到的水珠移动速度进行反向计算时，他发现唯一能让计算进行下去的情况是水珠运动在无限深的油池上。但实际上，油层只有10微米厚，理应会让液滴黏住，牢牢黏住。

  从物理学角度来看，油层表面摩擦力的大小取决于它的深度。能想象一下从瓶子里往外倒蜂蜜，薄油膜就好比通过瓶盖上一个小开口往外倒，蜂蜜流动的速度会非常慢；但如果你完全取下盖子，蜂蜜受到的摩擦力就会变小，倾倒速度也会更快。按照10微米的厚度来算，水珠的移速应该更慢才对。

  “所以，那会儿我觉得完全不可能，这太疯狂了。”但是，更让人吃惊的是这一现象的解释，也就是他们查看超慢动作视频时发现的情况。利昂说：“我们正真看到的真实情况是，水珠表面在以某种频率移动，而这表明它由于像冒泡这样的沸腾事件而在振动。”

  油膜内部的水不断沸腾产生气泡，它们困在油膜中让水珠从完美的球形快速变成各种不对称的形状，看上去像是某种混乱的振动。也就是说，水珠底部在不同波浪形状之间变化，不再像完美球形时那样与板上的油层紧密接触，因此相应的摩擦力要小得多，运动的速度也快得多。

  瓦拉纳西表示：“这些现象往往出现在很复杂的物理系统中。所以我们一开始完全摸不着头脑，困惑不已，后来又为终于弄明白了其中的原理而非常兴奋。

  “蒸汽为何会从一侧喷出？又或者说，它如何明智的选择从哪一侧喷出？对我们来说，这仍然是个谜，我们正努力解决，因为一旦解开，我们就能依自己所愿控制液滴运动。”

  如果他们可以将此利用起来，这种力就可能有多种不同的应用：从生物技术中的微量液体处理，到水处理系统中的清洁薄膜，再到其他行星微重力环境下的液体移动，甚至是携带分子的微型机器人递送系统。所有一切都始于在平底锅上一闪而过的水珠。