Experimenty s novým materiálem. Kredit: CityU.

Některé fyzikální jevy dovedou být jako osina v zadku. Rozhodně se to týká Leidenfrostova jevu, který byl objeven v roce 1756. Projevuje se tím, že když se setká kapalina s povrchem, jehož teplota je podstatně vyšší než bod varu dotyčné kapaliny, tak se část kapaliny ihned vypaří a vytvoří izolační vrstvu, na které tančí kuličky tvořené dotyčnou kapalinou. Vrstva páry dramaticky snižuje přenos tepla za vysokých teplot a výsledkem je, že kapalinami prakticky není možné chladit velmi horké povrchy.

Wang Zuankai druhý zleva. Kredit: CityU.

Leidenfrostův jev je obvykle proklínaný. Pro odborníky na tepelnou izolaci bylo poražení Leidenfrostova jevu vytouženou metou, svatým grálem, který hledali usilovněji než rytíři kulatého stolu. V legendární bitvě s fyzikálním jevem nakonec uspěl mezinárodní tým, vedený odborníky City University of Hong Kong (CityU). Vytvořili strukturovaný tepelně izolační materiál STA (Structured thermal armor), který je možné účinně chladit kapalinou i při teplotách přesahujících 1 000 °C.

Je to ohromující úspěch, který si žádá vítězný doutník nad žalostnými troskami sebevědomého Leidenfrostova jevu. Nový typ materiálu by se díky své odolnosti mohl prosadit v leteckých a vesmírných motorech a mohl by rovněž zlepšit bezpečnost a spolehlivost příštích generací jaderných reaktorů.

Strukturovaný materiál proti Leidenfrostovi. Kredit: CityU.

Badatelé vytvořili multitexturový materiál, jehož klíčové prvky mají protikladné tepelné a geometrické vlastnosti. Obsahuje vodivé pilíře, které hrají roli tepelných mostů, tepelně izolační membránu, která nasává a odpařuje kapalinu, a také zanořené kanálky tvaru U, které odvádějí páru. Výsledný materiál účinně potlačuje výskyt Leidenfrostova jevu až do teploty 1 150 °C a lze jej efektivně chladit v rozmezí teplot 100 až 1 150 °C.

Jak podotýká vedoucí výzkumu Wang Zuankai z CityU, jejich výzkum přinesl průlom díky multioborovému přístupu. Výzkum zahrnuje vědu o površích, hydro– a aerodynamiku, chlazení, materiálovou vědu, fyziku, vědu o energii a rozmanité technologie. Dosavadní technologie, které v tomto směru výzkumu vznikly, využívají chlazení vzduchem, z nouze, právě kvůli Leidenfrostovu jevu. Podle Wanga může být výsledný materiál ohebný a nevyžaduje další zpracování. I díky tomu by měl mí ohromující potenciál pro praktické aplikace.

Video: CityU’s new structured thermal armour solves 18th century Leidenfrost challenge

Literatura

CityU 27. 1. 2022.

Nature 601: 568–572.