固體的冰、流動的液體、缥缈的水蒸氣……我們都知道水有三相。加熱冰時，它會變成水，如果繼續加熱，它就會變成水蒸氣。任何在大熱天觀察過一杯冰茶，或者燒開一壺水煮意大利面的人，都不會對這些司空見慣的基本原理感到陌生。
但與水有關的有趣性質遠不止這些。比如，當熱源足夠大，溫度遠超過沸點（100℃）時，事情可能會有不一樣的發展。
你可能在廚房裡注意過，如果把水滴在一個被加熱到過熱的平底鍋表面，水滴可以懸浮在表面之上，隔着蒸汽在平底鍋底滑動。這種有趣的現象被稱為萊頓弗羅斯特效應。
近日，一項新研究發現了有關萊頓弗羅斯特效應的一種令人興奮的補充，也就是三相萊頓弗羅斯特效應（three-phase Leidenfrost effect）。研究人員發現了有關讓冰懸浮在表面的萊頓弗羅斯特效應的臨界溫度，并揭示了其中的傳熱模型。研究已于近日發表在《實體評論·流體》上。
萊頓弗羅斯特效應
除了普通的固液氣三相，當熱源足夠熱時，水的行為也可能發生巨大的變化。萊頓弗羅斯特效應的出現就是其中一個例子。
比如，在一塊遠超過水的沸點的鋁闆上，其表面的水滴就不會再沸騰。相反，水滴接近表面時形成的蒸汽會被“困”在水滴下方，形成一種緩沖墊，防止液體與表面直接接觸。被困的蒸汽使液體飄浮起來，像空氣冰球一樣在加熱的表面上滑動。這種現象以在1751年首次描述它的德國醫生和神學家約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）命名。
盡管我們已經知道萊頓弗羅斯特效應已經超過200年，但它仍在一直帶給實體學家驚喜。近年來，許多新研究也發現了這種神奇現象的更多特征，包括水蒸氣層形成和消散的臨界溫度、三重萊頓弗羅斯特效應等。（詳見《一個常見實體現象的新發現》《彈、彈、彈～》。）
這一普遍接受的科學原理适用于液體水懸浮在水蒸氣的氣墊上，這也引發了一些研究人員的好奇。他們想知道，如果把水換成冰，事情能以類似的方式發展嗎？換言之，三相萊頓弗羅斯特效應有可能發生嗎？
進入冰的領域
大約五年前，好奇心引發了團隊的初次研究。他們觀察到的情況非常吸引人。
如果把水滴換成冰，即使當鋁闆被加熱到超過150℃，冰也沒有像液體水那樣懸浮在水蒸氣中。研究人員繼續提高溫度，并随着熱量的增加觀察冰的行為。
他們最終發現，懸浮的溫度門檻值明顯更高，達到了約550℃。在這個門檻值之下，冰下方的融水會繼續與表面直接接觸而沸騰，并不會表現出萊頓弗羅斯特效應。
三相萊頓弗羅斯特效應。| 視訊來源：Mojtaba Edalatpour / Virginia Tech Mechanical Engineering
在冰的下方究竟發生了什麼，進而能将萊頓弗羅斯特效應抑制在非常高的溫度上？
不久之後，團隊發展出了新的傳熱方法，并将這些知識用于解決這個問題。他們找到答案是冰下方融水層的溫度差。
融水層頂部和底部處于兩個幾乎截然相反的極端，它的底部接觸熱表面，是沸騰的，這使溫度固定在了約100℃，但它的頂部則粘附在剩餘的冰上，也就是說，它穩定在約0℃。
模拟顯示，維持這種極端的溫差消耗了表面的大部分熱量。這樣一來，來自熱表面的大部分熱量必須穿過水層來維持這種極端的溫差，是以隻有極小一部分的能量可以用來産生水蒸氣。這也解釋了為什麼對冰來說，萊頓弗羅斯特效應更難發生。
實驗中在不同溫度下冰的行為變化。| 圖檔來源：Mojtaba Edalatpour / Virginia Tech Mechanical Engineering
科學家認為，從傳熱的應用角度來說，将萊頓弗羅斯特效應抑制在高溫下發生，實際上是一件好事。
因為沸騰的水會最大程度地将熱量從下部輸送出去，一旦懸浮開始，傳熱就會急劇下降，因為此時液體就不再沸騰了。而萊頓弗羅斯特效應發生的溫度越高，就意味着沸騰的溫度視窗更大，傳熱也将會更好地發生。
利用冰傳熱
傳熱在冷卻計算機伺服器或者汽車發動機等方面具有重要的作用。它需要一種能夠将能量從熱表面移除的物質或機制，迅速重新配置設定熱量，進而減少金屬部件的磨損。
研究人員相信，這一發現有無數應用的可能前景。比如，在核電站中，應用冰來誘導快速冷卻可以成為電力故障時容易部署的應急措施，或者成為維修電站部件的正常做法。
它在冶金學方面也有潛在的應用。為了生産合金，有必要在一個狹窄的時間視窗内對已經成型的金屬進行淬火，使金屬變得更強、更脆。如果應用冰，它将允許熱量通過三個相快速解除安裝，快速冷卻金屬。
#創作團隊：
編譯：M ka
排版：雯雯
#參考來源：
https://vtx.vt.edu/articles/2022/01/eng-boreyko-boiling-ice-012022.html
https://arstechnica.com/science/2022/01/study-leidenfrost-effect-occurs-in-all-three-water-phases-solid-liquid-and-vapor/
#圖檔來源：
封面圖：Max Pixel
首圖：Max Pixel