สล็อตออนไลน์ หยดน้ำที่เดือดจะเคลื่อนตัวผ่านฟิล์มน้ำมัน

สล็อตออนไลน์ Victor Leon และ Kripa Varanasiแห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ระบุกลไกที่ทำให้หยดน้ำเดือดขับเคลื่อนตัวเองอย่างรวดเร็วผ่านฟิล์มน้ำมันร้อน ทั้งคู่ใช้การถ่ายภาพความเร็วสูงเพื่อกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาชั่วครู่ของการเกิดฟองสบู่ภายในหยดละออง และการเคลื่อนไหวของพวกมันในช่วงเวลาที่ยาวนาน เมื่อหยดน้ำวางบนพื้นผิวโลหะที่ร้อน 

มันจะเดือดและสร้างไอระเหยซึ่งหยดจะ “ลอย” 

ปรากฏการณ์ที่รู้จักกันดีนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Leidenfrost และแรงเสียดทานต่ำที่เกิดจากเบาะช่วยให้หยดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมิลลิเมตรต่อวินาทีบนพื้นผิวที่ร้อน

หากพื้นผิวถูกเคลือบด้วยฟิล์มน้ำมันร้อน อาจดูเหมือนเป็นสัญชาตญาณว่าหยดน้ำที่วางไว้บนผิวน้ำจะเกิดการเสียดสีมากขึ้น แต่เมื่อทำอย่างนั้นในการทดลองใหม่ ลีออนและพาราณสีก็สังเกตเห็นถึงผลกระทบที่ตรงกันข้ามกัน โดยหยดละอองจะเคลื่อนที่เร็วกว่าละอองไลเดนฟรอสต์ถึง 100 เท่า ในการตรวจสอบเอฟเฟกต์แปลก ๆ นี้ พวกเขาใช้การถ่ายภาพความเร็วสูง — ที่ 100,000 เฟรมต่อวินาที — เพื่อตรวจสอบกลไกที่ขับเคลื่อนหยดน้ำ

ฟองที่ติดอยู่

ในภาพของพวกเขา ทั้งคู่ระบุฟองอากาศของไอที่ก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานหยดน้ำมันบนมาตราส่วนเวลาไมโครวินาที ซึ่งแต่ละอันอยู่ห่างจากศูนย์กลางของหยด ในหยดน้ำไลเดนฟรอสต์ ฟองอากาศเหล่านี้จะหลบหนีเกือบจะในทันที และเนื่องจากเป็นฟองแบบสุ่ม จึงโผล่ออกมาเกือบสม่ำเสมอทั่วฐานของหยด

ในทางตรงกันข้าม ส่วนต่อประสานน้ำมันจะป้องกันไอระเหยไม่ให้เล็ดลอดออกมาในกรณีนี้ ส่งผลให้ฟองอากาศสะสมอยู่ภายในหยด ทำให้ความไม่สมดุลเกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากไอระเหยนี้มีความเป็นฉนวนมากกว่าของเหลวภายในหยด จึงทำให้เกิดการรบกวนจากความร้อนในฟิล์มน้ำมัน สิ่งนี้ทำให้หยดสั่นสะเทือน ลดแรงเสียดทานในขณะเดียวกันก็กระตุ้นให้เกิดฟองเพิ่มขึ้น

การถ่ายโอนโมเมนตัม

เมื่อฟองสบู่ระเบิดผ่านพื้นผิวของหยดในที่สุด ลีออนและพาราณสีตัดสินใจว่าพวกมันจะถ่ายเทโมเมนตัมไปที่ด้านหนึ่งของหยด โดยผลักไปในทิศทางเดียว โดยรวมแล้ว กระบวนการนี้สร้างการเชื่อมต่อระหว่างความผันผวนแบบสุ่มระดับไมโครวินาทีภายในหยด และการเคลื่อนที่ของช่วงเวลาในระยะเวลาที่ยาวนานกว่ามาก

อ่านเพิ่มเติมเอฟเฟกต์ไลเดนฟรอสต์ผกผัน

การขับเคลื่อนตัวเองของละอองไลเดนฟรอสต์ผกผันที่อธิบายโดยนักฟิสิกส์

เมื่อวิเคราะห์ผลลัพธ์โดยใช้สมการกลศาสตร์ของไหลที่กำหนดไว้ ทั้งคู่พบว่าการเคลื่อนที่ของพวกมันคล้ายกับการเคลื่อนที่ของละอองที่เคลื่อนผ่านพื้นผิวของแอ่งน้ำมันที่ลึกนับไม่ถ้วน แม้ว่าฟิล์มที่ใช้จะมีความหนาไม่เกิน 100 ไมครอนก็ตาม วิธีนี้จะช่วยลดแรงเสียดทานที่เกิดจากละอองน้ำได้อย่างมาก ปล่อยให้ลอยผ่านพื้นผิวได้อย่างรวดเร็ว

จากการวิจัยในอนาคต ทั้งคู่หวังว่าผลกระทบนี้จะสามารถควบคุมเพื่อกระตุ้นการขับเคลื่อนของหยดในทิศทางที่ควบคุมได้ หากทำได้สำเร็จ วิธีนี้จะช่วยให้อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกขั้นสูง ซึ่งสามารถขับเคลื่อนของเหลวไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างชาญฉลาด อุปกรณ์ดังกล่าวอาจรวมถึงปั๊มที่สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่ไร้น้ำหนัก และนวัตกรรมใหม่ในการใช้งาน เช่น การนำส่งยาเป้าหมาย

ในงานล่าสุด นักวิจัยที่นำโดยBing Huang จาก ภาควิชาฟิสิกส์ของ Beijing Normal University และศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ปักกิ่งแสดงให้เห็นว่าขอบเขตของการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเหล่านี้ Δ𝑉 ขึ้นอยู่กับว่าข้อบกพร่องนั้นมีประจุบวกหรือลบ แม่นยำยิ่งขึ้น Huang และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าปริมาณเพิ่มขึ้นสำหรับข้อบกพร่องที่มีประจุลบมากขึ้นและลดลงสำหรับข้อบกพร่องที่มีประจุบวกมากขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง Δ𝑉 เป็นค่าบวกเมื่อมีการเพิ่มอิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งที่บกพร่อง และเป็นลบเมื่ออิเล็กตรอนถูกกำจัดออกจากอิเล็กตรอน

กฎพื้นฐานสามข้อ

เพื่อทำความเข้าใจ (และคาดการณ์) พฤติกรรมการใช้สารกระตุ้นที่แตกต่างกันของสารกึ่งตัวนำ Huang และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนากฎพื้นฐานสามข้อเพื่ออธิบายว่าความเครียดส่งผลต่อคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำข้อบกพร่องอย่างไร

กฎข้อแรกอธิบายว่าพลังงานการก่อตัวของข้อบกพร่องเปลี่ยนแปลงไปตามความเครียดอย่างไร ในวัสดุภายใต้ความเครียด นักวิจัยพบว่าความแตกต่างของพลังงานทั้งหมดระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นกลางกับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประจุลบ (หรือบวก) ที่รองรับอิเล็กตรอนพิเศษ (หรือรู) ในแถบวาเลนซ์ของวัสดุจะขึ้นอยู่กับเครื่องหมายและขนาดของ Δ𝑉 ความแตกต่างของพลังงานนี้จะเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างสุดขั้วตามหน้าที่ของความเครียด และอัตราการเกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับ Δ𝑉 ถ้า Δ𝑉 ใกล้เคียงกับศูนย์ ความต่างของพลังงานจะเป็นฟังก์ชันพาราโบลาของความเครียด

กฎข้อที่สองอธิบายว่าความเครียดเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน Fermi อย่างไร (ระดับพลังงานสมมุติฐานที่มีความน่าจะเป็น 50% ที่จะมีอิเล็กตรอน) เมื่อสถานะประจุบกพร่องเปลี่ยนไป ตามกฎนี้ ความเครียดอัดจะทำให้ระดับพลังงานการเปลี่ยนแปลงนี้เพิ่มขึ้น ในขณะที่ความเครียดจากแรงดึงจะเลื่อนระดับลง

การคำนวณหลักการแรกให้ความกระจ่างเกี่ยวกับข้อบกพร่องของเซมิคอนดักเตอร์ กฎข้อที่สามอธิบายว่าความเครียดเปลี่ยนตำแหน่งของระดับ “การตรึง” Fermi อย่างไร นี่เป็นผลกระทบที่แท้จริงที่เกิดขึ้นในระบบเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งระดับ Fermi อยู่ไกลจากขอบแถบอิเล็กทรอนิกส์ ผลกระทบนี้สามารถจำกัดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและรูที่เหนี่ยวนำให้เกิดยาสลบได้อย่างมาก 

และทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์และทรานซิสเตอร์ลดลงอย่างมาก กฎข้อที่สามของ Huang และเพื่อนร่วมงานอธิบายว่าความเครียดอัดจะทำให้ระดับ Fermi ตรึงตรึงในพลังงานได้อย่างไรและความเครียดจากแรงดึงจะทำให้พลังงานลดลง สล็อตออนไลน์