Por qué las gotas hirviendo pueden correr sobre superficies aceitosas calientes | Noticias del MIT

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Cuando está friendo algo en una sartén y caen gotas de agua en la sartén, es posible que haya notado que estas gotas se deslizan sobre la película de aceite caliente. Ahora, este fenómeno aparentemente trivial fue analizado y comprendido por primera vez por investigadores del MIT, y puede tener implicaciones importantes para los dispositivos de microfluidos, los sistemas de transferencia de calor y otras funciones útiles.

Una gota de agua hirviendo sobre una superficie caliente a veces levita sobre una fina película de vapor, un fenómeno bien estudiado conocido como efecto Leidenfrost. Debido a que está suspendida de un colchón de vapor, la gota puede viajar a través de la superficie con poca fricción. Si la superficie está cubierta con aceite caliente, que tiene una fricción mucho mayor que la película de vapor debajo de una gota de Leidenfrost, la gota caliente debería moverse mucho más lentamente. Pero, contrariamente a la intuición, la serie de experimentos en el MIT mostró que ocurre el efecto contrario: la gota en el petróleo se aleja mucho más rápido que en el metal desnudo.

Este efecto, que impulsa gotas sobre una superficie aceitosa calentada de 10 a 100 veces más rápido que el metal desnudo, podría potencialmente usarse para sistemas de autolimpieza o descongelación, o para impulsar pequeñas cantidades de líquido a través de los diminutos tubos de los dispositivos microfluídicos utilizados. para investigación y pruebas biomédicas y químicas. Los resultados se describen hoy en un artículo de revista. Cartas de examen físico, escrito por el estudiante de posgrado Víctor Julio León y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

En investigaciones anteriores, Varanasi y su equipo han demostrado que sería posible explotar este fenómeno para algunas de estas aplicaciones potenciales, pero el nuevo trabajo, que produce velocidades tan altas (alrededor de 50 veces más rápidas), podría abrir aún más usos nuevos. Dijo Varanasi.

Después de un análisis largo y cuidadoso, León y Varanasi pudieron determinar el motivo de la rápida expulsión de estas gotas de la superficie caliente. En las condiciones adecuadas de alta temperatura, viscosidad del aceite y espesor del aceite, el aceite formará una especie de manto delgado que cubre el exterior de cada gota de aceite. 39, agua. A medida que la gota se calienta, se forman pequeñas burbujas de vapor a lo largo de la interfaz entre la gota y el aceite. Debido a que estas pequeñas burbujas se acumulan aleatoriamente a lo largo de la base de la gota, se desarrollan asimetrías y la fricción reducida debajo de la burbuja afloja la unión de la gota a la superficie y la expulsa.

La película aceitosa actúa casi como la goma de un globo, y cuando las pequeñas burbujas de vapor estallan, transmiten una fuerza y ​​"el globo sale volando porque el aire sale de un globo. Aparte, creando una transferencia de impulso", dice Varanasi. Sin la envoltura de aceite, las burbujas de vapor simplemente fluirían de la gota en todas direcciones, evitando la autopropulsión, pero el efecto de neblina las retiene como la piel del globo.

gotitas de agua
Los investigadores utilizaron fotografías de alta velocidad para revelar detalles de las gotas en movimiento. "De hecho, puedes ver las fluctuaciones en la superficie", dice el estudiante de posgrado Víctor León.

El fenómeno suena simple, pero resulta que depende de una interacción compleja entre eventos que ocurren en diferentes escalas de tiempo.

Este fenómeno de autoeyección recientemente analizado depende de una serie de factores que incluyen el tamaño de la gota, el espesor y la viscosidad de la película de aceite, la conductividad térmica de la superficie, la tensión superficial de los diferentes líquidos en el sistema y el tipo de aceite. y la textura de la superficie.

En sus experimentos, la viscosidad más baja de los diferentes aceites probados fue aproximadamente 100 veces más viscosa que el aire ambiente. Entonces, uno hubiera esperado que las burbujas se movieran mucho más lentamente que en el colchón de aire del efecto Leidenfrost. “Da una idea de lo sorprendente que es que esta gota se mueva más rápido”, dice Leon.

Cuando comienza la ebullición, se forman burbujas al azar a partir de un sitio de nucleación que no está en su centro. La formación de burbujas aumentará en ese lado provocando propulsión en una dirección. Hasta ahora, los investigadores no han podido controlar la dirección de esta propulsión inducida aleatoriamente, pero ahora están trabajando en posibles formas de controlar la direccionalidad en el futuro. "Tenemos ideas sobre cómo activar la propulsión en direcciones controladas", dice Leon.

Sorprendentemente, las pruebas mostraron que a pesar de que la película de aceite de la superficie, que era una oblea de silicio, tenía un grosor de solo 10 a 100 micrones, aproximadamente el grosor del cabello humano, su comportamiento no coincidía con las ecuaciones de una película delgada. En cambio, debido a que la película se vaporizó, en realidad se comportó como una piscina de aceite infinitamente profunda. “Nos sorprendió un poco este descubrimiento”, dice Leon. Si bien una película delgada debería haberlo hecho pegar, la piscina prácticamente infinita le dio a la gota una fricción mucho menor, lo que le permitió moverse más rápido de lo esperado, dice Leon.

El efecto depende de si la formación de pequeñas burbujas es un proceso mucho más rápido que la transferencia de calor a través de la película de aceite, unas mil veces más rápido, dejando suficiente tiempo para que se produzcan asimetrías. Cuando las burbujas de vapor se forman inicialmente en la interfase aceite-agua, son mucho más aislantes que el líquido en la gota, causando perturbaciones térmicas significativas en la película de aceite. Estas perturbaciones hacen que la gota vibre, reduciendo la fricción y aumentando la tasa de vaporización.

Tomó una fotografía de alta velocidad para revelar los detalles de este efecto rápido, dice Leon, usando una cámara de video de 100,000 cuadros por segundo. "De hecho, puedes ver las fluctuaciones en la superficie", dice Leon.

Inicialmente, dice Varanasi, “estábamos desconcertados en muchos niveles sobre lo que estaba sucediendo, porque el efecto era tan inesperado. … Es una respuesta bastante compleja a lo que puede parecer simple, pero realmente crea esa rápida propulsión.

En la práctica, el efecto significa que en algunas situaciones, simplemente calentar una superficie, en la cantidad correcta y con el tipo correcto de recubrimiento aceitoso, podría provocar la eliminación de las gotas de sarro corrosivo del aceite. # 39; una superficie. Más tarde, una vez que los investigadores tengan más control sobre la direccionalidad, el sistema podría potencialmente reemplazar algunas bombas de alta tecnología en dispositivos de microfluidos para impulsar las gotas a través de los tubos correctos en el momento adecuado. Esto puede ser especialmente útil en situaciones de microgravedad, donde las bombas normales no funcionan como de costumbre.

También puede ser posible adjuntar una carga útil a las gotas, creando una especie de sistema de entrega robótico a microescala, dice Varanasi. Y aunque sus pruebas se centraron en las gotas de agua, esto podría aplicarse a muchos tipos de líquidos y sólidos sublimantes, dice.

El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation.

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