Tavada bir şey kızarttığınızda ve kızgın tavaya bir miktar su damlası geldiğinde, bu damlacıkların sıcak yağ tabakası üzerinde bir oraya bir buraya sıçradığını fark etmiş olabilirsiniz. Şimdiyse Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) çalışan araştırmacılar, önemsiz gibi görünen bu olguyu ilk defa analiz ederek açıklığa kavuşturmuşlar. Bulgular mikroakışkan cihazlar, ısı aktarım sistemleri ve diğer faydalı işlevler yönünden önemli sonuçlar doğurabilir.
Sıcak bir yüzey üzerindeki kaynayan su damlası, bazen ince bir buhar tabakası üzerinde havada duruyor. Üzerinde çokça çalışma yapılan bu olgu, Leidenfrost etkisi şeklinde biliniyor. Damlacık bir buhar minderi üzerinde havada durduğundan, yüzeyde çok az sürtünmeyle hareket edebiliyor. Bu yüzeyin sıcak yağ ile kaplanması durumunda, sıcak damlacığın çok daha yavaş hareket etmesi bekleniyor çünkü bu tabaka, Leidenfrost damlacığının altında bulunan su buharı katmanından çok daha yüksek sürtünmeye sahip. Fakat mantığa aykırı gibi görünen bir şey olmuş ve MIT’de yapılan bir dizi deney, bunun tam tersi bir etki ortaya çıkarmış: Yağ üzerindeki damlacık, çıplak metale kıyasla çok daha hızlı şekilde hareket etmiş.
Isıtılmış yağlı bir yüzeydeki damlacıkların çıplak metalden 10 ila 100 kat daha hızlı hareket etmesini sağlayan bu etki, kendi kendini temizleyen veya buz çözen sistemlerde kullanılabilir. Ayrıca bu etkiyle birlikte ufak miktardaki sıvılar, biyomedikal ve kimyasal araştırma ile testlerde kullanılan mikroakışkan cihazların küçük tüplerinden ittirilebilir. Yüksek lisans öğrencisi Victor Julio ile makine mühendisliği profesörü Kripa Varanasi tarafından kaleme alınan makale, üç gün önce Physical Review Letters bülteninde yayımlandı.
Varanasi ile takımı, daha önce yaptıkları araştırmada bu muhtemel uygulamaların bazılarında söz konusu olgudan faydalanılabileceğini göstermiş. Fakat Varanasi’nin aktardığına göre çok yüksek (yaklaşık 50 kat daha fazla) süratlerin ortaya çıktığı yeni uygulama, çok daha fazla yeni kullanım alanına kapı aralayabilir.
Leon ile Varanasi, yürüttükleri uzun ve zorlu analizlerden sonra su damlacıklarının sıcak yüzeyden neden bu kadar hızla fırladığını belirlemeyi başarmışlar. Yüksek sıcaklık, yağ akışkanlığı ve yağ kalınlığının oluşturduğu uygun koşullarda yağ, su damlacıklarının her birinin dışında ince bir örtü kaplaması meydana getiriyor. Damlacığın sıcaklığı arttıkça, yağ ve damlacık arasındaki arayüzey boyunca ufak buhar baloncukları oluşuyor. Bu küçük baloncuklar damlacığın tabanı boyunca rastgele biriktikçe asimetri gelişiyor ve baloncuğun altındaki sürtünmenin azalması, damlacığın yüzeye olan bağlılığını gevşetip onu itiyor.
Yağlı tabaka, neredeyse bir balon kauçuğu gibi davranıyor ve ufak buhar baloncukları bu tabakayı delip geçtiğinde, “Balon uçup gidiyor çünkü hava bir taraftan dışarı çıkarak momentum aktarımı meydana getiriyor” diyor Varanasi. Bu yağ örtüsü olmadığında, buhar baloncukları damlacıktan her yönde dışarı gidiyor ve damlacığın kendini itmesini önlüyor. Ancak örtüleme etkisi, bunları bir balon gibi içeride tutuyor.
Olgu kulağa basit gibi gelse de, aslında farklı zaman ölçeklerinde gerçekleşen olaylar arasındaki karmaşık etkileşimlere bağlı.
Bu yeni analiz edilen kendi kendini itme olgusu bir dizi etmene dayanıyor. Bu etmenler arasında damlacık boyutu, yağ tabakasının kalınlık ile akışkanlığı, yüzeyin ısıl iletkenliği, sistemdeki farklı sıvıların yüzey gerilimleri, yağın tipi ve yüzeyin dokusu da bulunuyor.
Araştırmacıların deneylerde test ettiği birkaç yağ arasındaki en düşük akma direnci, civardaki havadan yaklaşık 100 kat daha dirençliymiş. Dolayısıyla baloncukların, Leidenfrost etkisinin hava yastığına göre çok daha yavaş şekilde hareket etmesi beklenmiş. “Bu durum, damlacığın daha hızlı hareket etmesinin ne kadar şaşırtıcı olduğuna dair bir fikir veriyor” diyor Leon.
Kaynama başlayınca, merkezde bulunmayan bazı çekirdekleşme bölgelerinden rastgele baloncuk oluşuyor. Bir tarafta artan baloncuk oluşumu, itişin tek yönde olmasına yol açıyor. Araştırmacılar, rastgele meydana gelen bu itişin yönünü şimdiye kadar kontrol edememiş ancak yönü gelecekte kontrol etmenin bazı olası yöntemleri üzerinde çalışıyorlar. “İtişi kontrollü yönlerde nasıl tetikleyeceğimize dair fikirlerimiz var” diyor Leon.
Yapılan testler, silikon bir gofret olan yüzeydeki yağ filmi sadece 10 ila 100 mikron kalınlığında olsa da (hemen hemen insan saçı kalınlığında); görülen davranışın ince filme yönelik denklemler ile uyuşmadığını göstermiş. Bunun yerine, filmin buharlaşması yüzünden sonsuz derinlikteki bir yağ havuzu gibi davranıyormuş. Leon, bulgu karşısında hayretler içinde kaldıklarını söylüyor. İnce bir filmin damlanın bağlanmasına sebep olması gerekirken, neredeyse sonsuz olan havuz damlacığa çok daha düşük sürtünme sağlamış ve tahmin edilenden daha hızlı hareket etmesine imkan tanımış.
Görülen etki, küçük baloncukların yağ tabakası boyunca meydana gelen ısı transferinden çok daha hızlı (yaklaşık bin kat) oluşmasıyla gerçekleşiyor ve asimetrilere, damlacığın içinde birikmeleri için fazlaca zaman sağlıyor. Başlangıçta yağ-su arayüzeyinde oluşan buhar baloncukları, damlacıktaki sıvıdan çok daha yalıtkan olmuş ve yağ tabakasında ısıl açıdan önemli bozulmalara yol açmış. Bu bozulmalar, damlacığın titreşmesine sebep olarak sürtünmeyi azaltmış ve buharlaşma oranını artırmış.
Bu hızlı etkinin detaylarını ortaya çıkarmak için ise son derece yüksek fotoğrafçılık yöntemleri gerekmiş. Leon, saniyede 100.000 kare kaydeden kamera kullandıklarını söylüyor. “Bu sayede yüzeydeki dalgalanmaları görebiliyorsunuz.”
Varanasi başlangıçta birçok seviyede şaşkınlığa uğradıklarını, çünkü etkinin hiç beklenmediğini söylüyor. “Basit görünen bir şeye karşı oldukça karmaşık bir cevap” diyor.
Pratikte bu etki, bir yüzeyin belirli durumlarda doğru miktarda ve doğru tür yağ kaplamasıyla ısıtılmasıyla yüzeydeki aşındırıcı damlacıkların temizlenmesine sebep olabilir. Araştırmacılar gelecekte yönleri daha iyi kontrol ettiğinde ise sistem, mikroakışkan cihazlarda yer alan bazı yüksek teknolojili pompaların yerine geçebilir ve damlacık doğru zamanda, doğru tüpler içinden geçirilebilir. Bu durum özellikle, sıradan pompaların beklendiği gibi çalışmadığı yer çekimsiz ortam koşullarında kullanışlı olabilir.
Varanasi’nin söylediğine göre damlacıklara yük eklemek ve bu sayede mikroölçekli robotik bir ulaştırma sistemi oluşturmak da mümkün olabilir. Araştırmacılar testlerde su damlacıklarına odaklansa da, bulgular pek çok farklı sıvı türüne ve gaza dönüşen katılara uygulanabilir.
Yazar: David L. Chandler/Massachusetts Teknoloji Enstitüsü. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
