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La humectabilidad de una superficie, ya sean gotas de agua u otro líquido que gotea o se esparce cuando entran en contacto con ella, es un factor crucial en una amplia variedad de aplicaciones comerciales e industriales, como la eficiencia con la que funcionan las calderas y los condensadores en las centrales eléctricas o cómo los tubos de calor eliminan el calor en los procesos industriales. Durante mucho tiempo se pensó que esta característica era una propiedad fija de un par dado de materiales líquidos y sólidos, pero los investigadores del MIT ahora han desarrollado una forma de garantizar que incluso los pares de materiales más improbables alcancen el nivel deseado de humectabilidad.
El nuevo proceso se describe esta semana en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), en un artículo de los posdoctorados del MIT Kyle Wilke, Zhengmao Lu y Youngsop Song y la profesora de ingeniería mecánica Evelyn Wang.
La humectabilidad generalmente está estrechamente relacionada con las propiedades de tensión superficial de un líquido: cuanto mayor sea la tensión superficial, más probable es que el líquido forme gotas en una superficie en lugar de esparcirse para humedecer la superficie. El mercurio tiene una tensión superficial excepcionalmente alta y, por lo tanto, se considera altamente no humectante. Entonces, el equipo eligió este líquido notoriamente difícil para una de sus demostraciones. Pudieron producir una superficie, hecha de un material generalmente no humectante, que hizo que el mercurio se esparciera sin una reacción química, algo que nunca antes se había demostrado.
El nuevo método se basa en texturizar la superficie, independientemente de su composición, con muescas estrechamente espaciadas que tienen «aberturas de reentrada», es decir, la abertura en la parte superior es más angosta que el resto de la cavidad, como un frasco con un estrecho boca. Esta superficie texturizada se trata previamente con un líquido que llena todas estas cavidades, dejando áreas expuestas de líquido en estas aberturas a través de la superficie, lo que cambia las propiedades de la superficie. Cuando se agrega otro líquido, que dependiendo de la aplicación puede ser igual o diferente al precargado en la superficie, su respuesta a la superficie cambia de no humectante a humectante.
Se dice que las superficies que tienen una alta humectabilidad al agua son hidrófilas, y aquellas que no se humedecen al agua se dice que son hidrófobas. Mojabilidad o no mojabilidad es el término genérico para dicho comportamiento, independientemente del líquido particular involucrado.
Aunque las superficies reentrantes ya se han demostrado para otros fines, este trabajo es el primero en demostrar que se pueden usar para modificar la superficie para producir «regímenes de humectación no demostrados anteriormente», dice Wang, profesor de ingeniería de Ford. y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
Los hallazgos son tan nuevos que puede haber muchas aplicaciones del mundo real en las que el equipo aún no ha pensado, dice Wilke: «Es algo que estamos muy emocionados de comenzar a explorar», dice. Pero es probable que la gestión térmica en varios procesos industriales se encuentre entre los primeros usos prácticos. La forma en que el agua u otro fluido de trabajo se esparce o no sobre las superficies del condensador puede tener una gran influencia en la eficiencia de muchos procesos que involucran evaporación y condensación, incluidas las plantas de energía y las plantas de procesamiento químico.
«Ahora tomamos una superficie que no se humedece y la hicimos humectante», dice Wilke. “La gente ha hecho lo contrario antes, tomar algo que moja y hacerlo que no moje”. Así, este nuevo trabajo abre la puerta a la posibilidad de ejercer un control casi total de la humectabilidad para diferentes combinaciones de materiales superficiales y líquidos.
“Ahora podemos crear superficies que exhiben las combinaciones de humectabilidad más imaginables”, dice Wilke. «Creo que eso ciertamente puede abrir algunas aplicaciones realmente interesantes que estamos buscando explorar».
Un área prometedora es la de los revestimientos protectores. Muchos materiales utilizados para proteger las superficies de los productos químicos agresivos son compuestos fluorados que no humedecen mucho, lo que puede hacerlos inadecuados para muchas aplicaciones. Mojar estas superficies podría abrir muchos nuevos usos potenciales para estos recubrimientos.
Otra aplicación prometedora son las tuberías de calor de alta temperatura, que se utilizan para conducir el calor de un lugar a otro, como para enfriar maquinaria o dispositivos electrónicos. «Muchos de estos fluidos de trabajo son metales líquidos y se sabe que tienen una tensión superficial muy alta», dice Lu. Esto limita drásticamente la elección de dichos fluidos, y este nuevo enfoque podría abrir posibles opciones de materiales.
Si bien las muescas de superficie complejas para esta investigación se fabricaron mediante procesos de fabricación de semiconductores, el equipo está explorando otras formas de lograr el mismo tipo de texturizado mediante impresión 3D u otro proceso que podría escalarse más fácilmente para aplicaciones reales.
El equipo también está explorando variaciones en los tamaños y formas de estas aberturas de reentrada. Por ejemplo, dice Lu, aunque es el área y el espaciado de estas aberturas lo que determina principalmente su comportamiento de humectabilidad, su profundidad puede influir en la estabilidad de este comportamiento, ya que los agujeros más profundos son más resistentes a la evaporación, lo que podría comprometer las mejoras de humectabilidad. “La distancia al fondo del canal es una dimensión crítica que puede afectar el comportamiento de humectación”, dice. Estas variaciones se exploran en el trabajo de seguimiento.
Al usar mercurio, dice Lu, el equipo «seleccionó nuestro conjunto de geometrías en función de este caso más difícil» y aun así pudo demostrar una alta humectabilidad. “Entonces, para combinaciones menos difíciles, tiene más flexibilidad para elegir geometrías que probablemente sean más fáciles de lograr”.
«Probablemente haya muchas industrias que se beneficiarán», dice Wang, «ya sea una industria de procesamiento químico, una industria de tratamiento de agua o una industria de productos térmicos». Uno de los próximos pasos que tomará el equipo, dice, es «hablar con estas diferentes industrias para identificar dónde está la oportunidad a corto plazo».
El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de sistemas a nanoescala, por el MIT y el Programa Cooperativo del Instituto Masdar, y por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
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