气泡是被空气包围的薄液体壳。虽然不太为人所知，但也有反气泡，它与气泡相反，即被液体包围的薄层蒸汽。在一项新的研究中，我们表明，通过将挥发性液体液滴撞击到加热到液滴沸点以上的粘性油浴中，可以产生抗气泡。
我们是在法国里昂热大学的实验室(GRASP)研究另一个关于液体浴中挥发性液滴的莱顿弗罗斯特效应的问题时，偶然发现了这一现象。
在这项研究中，我们将挥发性液滴轻轻沉积在粘油热浴中。最初的想法是尽可能减少液滴的运动，以免影响对莱顿弗罗斯特效应开始的测量。这种效应以18世纪一位德国科学家的名字命名，它与水滴在热锅上移动几乎没有摩擦的典型情况相对应。这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。
实际上，平底锅提供的热量使液滴蒸发，从而有效地使液滴悬浮在热表面之上。进一步说，莱顿弗罗斯特效应适用于任何物体被气体层隔开的情况，气体层是由基片的热量传递引起的，气体层是由其自身的蒸发维持的。
然而，在这项研究的过程中，我们注意到，如果我们从更高的地方释放挥发性液滴，液滴的动能允许它穿透镀液，被一层薄薄的气体包围。随后动态形成的气包柱不稳定，最终被挤压掉。结果是液滴被液体浴包围的薄层蒸汽包裹，即反泡。
这种物体以前是在等温条件下制成的，但它们的存在时间极短，不到100毫秒。事实上，由于反气泡底部的静水压力比顶部的高，重力驱动的排水系统促进了气体的流动。
然后底部变得更薄，更脆弱，最终液滴和浴液中的液体接触，导致防泡失效。然而，当挥发性液滴在过热的浴液中使用时，从浴液流向液滴的热量通过薄气壳形成，液滴随后的汽化可以抵消排水的影响。
由此产生的反泡沫效果要持久得多。由于这些相对稳定的防气泡的物理起源是浴液和液滴之间的温度差异，我们为这些物体创造了术语“热防气泡”。
作为第一步，我们系统地研究了冲击条件，即进入液滴的惯性，以及导致热反泡形成的浴液与液滴之间的温差。我们建立了一个相图，作为这两个参数的函数，可以为他们在研究中考虑的一对流体创建反气泡。
然后，我们重点研究了热反泡形成后的动力学。我们观察到，当组成液滴的液体密度大于粘性液滴的密度，并且液滴周围的蒸汽层最初非常薄时，反泡首先在液中下沉。当水浴的温度高于液滴的沸点时，液滴就会蒸发，并在不沸腾的情况下进入防泡剂的气体层(这就是莱顿弗罗斯特的神奇之处)。
由于蒸汽的产生，反泡的浮力增加，并达到等于液滴重量的一点，反泡停止。随后，反气泡的浮力克服了液滴的重量，液滴的运动向浴液表面方向逆转。
当反泡完成了它在热浴中的旅程时，我们追踪了反泡的轮廓，并推断出它的体积作为时间的函数。对于半径约为800 μm的液滴，当液池与液滴之间的温差接近80℃时，我们观察到在约200 ms内，防泡体积增加了3倍。对于较大的温差，反气泡的膨胀率甚至更高。
为了使他们的观察合理化，我们来自布鲁塞尔自由大学TIPs实验室的同事们参与了这项研究，他们努力对这个问题进行建模。由于导致液滴蒸发的传热受气体层厚度的影响，而气体层本身又受重力排水的影响，因此必须编写热和流体传输的耦合模型。
第一步是调整先前开发的模型，使液态衬底上的莱顿弗罗斯特液滴问题中的蒸气层动力学合理化。但不幸的是，这种方法预测的反气泡膨胀率要高得多，大约是实验观察到的20倍。
我们努力寻找这个模型缺失的成分。最后，我们发现缺失的部分是液滴在室温下撞击时的热化，以及从浴槽中泵出热能以达到其沸腾温度。在涉及莱顿弗罗斯特液滴的问题中，液滴热化的影响通常被忽略，因为它涉及到液滴的早期动力学，而实验主要研究这些液滴的总寿命。
在目前的热反泡问题中，我们证明了液滴的热化是预测其动力学的必要条件。在没有热化作用的情况下，反气泡的膨胀率会大得多，这将大大缩短它们的寿命，使这些物体比它们的实际寿命更短暂。
一个球体的扩散热化在其界面上突然达到与中心不同的温度，在文献中有一个解析解。幸运的是，由于考虑了较短的时间尺度，可以进一步简化初始解，并且可以轻松地实现模型的计算。
液滴热化的重要性的一个实验证明是小卫星液滴的信念，当母液滴在撞击的瞬间被浴液挤压掉时，有时会出现小卫星液滴。这些卫星液滴的膨胀率比母液滴高得多。这种差异是如此之大，以至于小反泡的体积可以很快达到大反泡的体积。这一观测结果直接证明了液滴热化的主要作用，因为卫星液滴由于体积小，热化速度比母液滴快得多。
事实上，在描述这个问题的方程中，只有热化项才能使这一观察结果合理化。在一天结束的时候，事实证明，在它产生后的前100毫秒内，莱顿弗罗斯特液滴将大约95%的热量从浴液中抽出来加热而不是蒸发，这可以从现有的模型中得出结论。
我们认为，热反泡是一种独特的对象，可以直接看到挥发液滴在不同热条件下的蒸发速率和液滴热化的后果。
在未来，这些物体可以被视为在不同实际情况下估计流体热性能的小探针。最后，如果这些热反泡的寿命确实比等温反泡长几倍，我们还没有完全满意。这些物体的限制因素是，在到达界面后，由于它们的密度迅速变化，它们看起来很像规则的表面气泡，不能再被认为是反气泡了。
关于这个主题的下一个故事应该是在无重力的环境中写的，希望在更大的时间尺度上，这要归功于欧洲航天局批准的一个项目，该项目可能在2024年进行抛物线飞行。
这个故事是科学X对话的一部分，研究人员可以在这里报告他们发表的研究文章的发现。请访问此页面了解有关ScienceX对话框的信息以及如何参与。
该团队包括来自比利时和法国三个实验室的软物质研究人员。Benoid Scheid和stsamphane Dorbolo在过去对等温反气泡问题做出了重要贡献。Laurent Maquet和Baptiste Darbois Texier研究了涉及莱顿弗罗斯特效应的各种问题。Jonas Miguet是流体薄膜传质方面的专家。所有这些技术结合在一起，使这些新物体的动力学合理化成为可能，我们称之为“热反气泡”。
