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En muchas situaciones, los ingenieros desean minimizar el contacto de las gotas de agua u otros líquidos con las superficies sobre las que caen. Esto es para evitar que el hielo se acumule en el ala de un avión o una pala de turbina eólica, o para prevenir la pérdida de calor de una superficie por la lluvia, o evitar la acumulación de sal en las superficies expuestas a la pulverización, permitiendo que las gotas reboten lo más rápido posible y minimicen la cantidad de contacto con la superficie puede ser la clave para el buen funcionamiento de los sistemas.
Ahora, un estudio realizado por investigadores del MIT demuestra un nuevo enfoque para minimizar el contacto entre las gotas y las superficies. Si bien los intentos anteriores, incluidos los miembros del mismo equipo, tenían como objetivo minimizar el tiempo en que la gotita entra en contacto con la superficie, el nuevo método se centra en la extensión espacial del contacto, tratando de minimizar La distancia de propagación de una gota. afuera antes de rebotar.
Nuevos descubrimientos se describen en el periódico. ACS Nano en un artículo de Henri-Louis Girard, estudiante del MIT, post-doc Dan Soto y profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. La clave del proceso, dicen, es crear una serie de formas de anillos elevados en la superficie del material, haciendo que las gotitas se proyecten hacia arriba en un patrón similar a un tazón en lugar de fluir en forma plana. en la superficie
Este trabajo sigue un proyecto anterior de Varanasi y su equipo en el que pudieron reducir el tiempo de contacto de las gotas en una superficie creando crestas elevadas en la superficie, interrumpiendo el patrón de propagación. Gotas impactando. Pero el nuevo trabajo va más allá y permite una reducción mucho mayor en la combinación del tiempo de contacto y la superficie de contacto de una gota.
Para evitar la formación de hielo en el ala de un avión, por ejemplo, es esencial hacer rebotar las gotas del agua de impacto en menos tiempo del necesario para que el agua se congele. La superficie rayada anteriormente había tenido éxito en la reducción del tiempo de contacto, pero Varanasi dijo: "Desde entonces, hemos descubierto que hay otro problema en juego aquí", a saber, qué tan lejos se extendía la caída. antes de rebotar y rebotar. "Reducir el área de contacto de la gotita impactante también debería tener un impacto considerable en las propiedades de transferencia de la interacción", dijo Varanasi.
El equipo inició una serie de experimentos que demostraron que los anillos elevados del tamaño correcto, que cubren la superficie, salpicarían el agua que fluye desde una gota de percusión hacia arriba, formando una salpicadura en forma de salpicadura. tazón. Las salpicaduras hacia arriba podrían controlarse ajustando la altura y el perfil de estos anillos. Si los anillos son demasiado grandes o demasiado pequeños en comparación con el tamaño de las gotas, el sistema se vuelve menos eficiente o no funciona en absoluto, pero cuando el tamaño es correcto, el efecto es espectacular.
Resulta que reducir el tiempo de contacto por sí solo no es suficiente para lograr la mayor reducción en el contacto; Es la combinación de tiempo y la zona de contacto lo que es crítico. En un gráfico del tiempo de contacto en un eje y el área de contacto en el otro eje, lo que realmente importa es el área total debajo de la curva, es decir El producto del tiempo y el alcance del contacto. El área de propagación era "era otro eje que nadie ha tocado" en investigaciones anteriores, dice Girard. "Cuando comenzamos a hacer eso, vimos una reacción drástica", que redujo el contacto total de la zona horaria de la gota en un 90%. "La idea de reducir la superficie de contacto mediante la formación de" cubetas de agua "tiene un efecto mucho mayor en la reducción de la interacción general que la reducción del tiempo de contacto solo", dice Varanasi.
Cuando la gota comienza a extenderse en el círculo elevado, comienza a extenderse tan pronto como toca el borde del círculo. "Su impulso se redirige hacia arriba", dice Girard, e incluso si termina extendiéndose tanto como hubiera sido de otra manera, ya no está en la superficie y, por lo tanto, no enfría la superficie, no provoca Engele o bloquee los poros de una tela "impermeable".
Crédito: Henri-Louis Girard, Dan Soto y Kripa Varanas.
Los investigadores dicen que los anillos se pueden hacer de diferentes maneras y de diferentes materiales. Solo el tamaño y el espacio son importantes. Para algunas pruebas, usaron anillos impresos en 3D en un sustrato, y para otros, usaron una superficie con un patrón creado por un proceso de grabado similar al utilizado en la fabricación de microchips. Otros anillos fueron fabricados por fresado de plástico controlado por computadora.
Si bien los impactos de gotas a velocidades más altas generalmente pueden ser más dañinos para una superficie, con este sistema, las velocidades más altas en realidad mejoran la eficiencia de la redirección, eliminando aún más fluido que a velocidades más baja. Esta es una buena noticia para aplicaciones prácticas, por ejemplo, en el tratamiento de la lluvia, que tiene una velocidad relativamente alta, dice Girard. "De hecho, funciona mejor, cuanto más rápido vas", dice.
Además de mantener el hielo alejado de las alas de los aviones, el nuevo sistema podría tener una amplia variedad de aplicaciones, dicen los investigadores. Por ejemplo, las telas "impermeables" pueden saturarse y comenzar a gotear cuando el agua llena los espacios entre las fibras, pero cuando se han tratado con anillos superficiales, los tejidos han conservado su capacidad para absorbe agua por más tiempo y, en general, ha tenido un mejor rendimiento, explica Girard. "El uso de estructuras de anillo ha mejorado en un 50%", dice.
La investigación fue financiada por el Centro Deshpande de Innovación Tecnológica del MIT.
