Los Investigadores Revelan Una Nueva Forma De Mejorar O Reducir La Adherencia De Las Gotas Heladas

Una nueva forma de mejorar o reducir la adherencia de las gotas heladas

Aquí se muestra una vista microscópica superior de una gota. Imagen: Grupo Varanasi / MIT

Investigadores de MIT han descubierto un nuevo giro sorprendente en la mecánica involucrada cuando las gotas entran en contacto con las superficies, lo que les permite mejorar o reducir la adhesión de las gotas heladas.

Cuando las gotas heladas impactan en una superficie, generalmente se adhieren a ella o rebotan. Controlar esta respuesta es crucial para muchas aplicaciones, incluida la impresión 3D, la pulverización de algunos recubrimientos de superficies y la prevención de la formación de hielo en estructuras como alas de aviones, turbinas eólicas o líneas eléctricas.

Ahora, los investigadores del MIT han encontrado un nuevo giro sorprendente en la mecánica involucrada cuando las gotas entran en contacto con superficies. Si bien la mayoría de las investigaciones se han centrado en las propiedades hidrófobas de tales superficies, resulta que sus propiedades térmicas también son de importancia crucial y brindan una oportunidad inesperada para “ajustar” esas superficies para satisfacer las necesidades exactas de una aplicación determinada. Los nuevos resultados se presentan hoy en la revista  Nature Physics,  en un informe del profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi, el ex postdoctorado Jolet de Ruiter y el postdoctorado Dan Soto.

“Encontramos algo muy interesante”, explica Varanasi. Su equipo estaba estudiando las propiedades de un líquido, en este caso, gotas de metal fundido, que se congelaba en una superficie. “Teníamos dos sustratos que tenían propiedades humectantes similares [la tendencia a extenderse o formar gotas en una superficie] pero propiedades térmicas diferentes”. Según el pensamiento convencional, la forma en que actuaban las gotas en las dos superficies debería haber sido similar, pero resultó ser dramáticamente diferente.

Controlar una gota helada

Este clip revela el diferente comportamiento de las gotas en materiales que tienen diferentes propiedades térmicas. Gotas idénticas de estaño fundido impactan sobre una superficie de sílice fundida (izquierda) y una de seleniuro de zinc (derecha). Mientras que la gota de la izquierda se adhiere a la superficie, la de la derecha muestra franjas alrededor del borde que muestran cómo la gota aplanada comienza a curvarse hacia arriba y a desprenderse. (Imagen: Grupo Varanasi / MIT)

En el silicio, que conduce muy bien el calor, como lo hacen la mayoría de los metales, “el metal fundido simplemente se cayó”, dice Varanasi. Pero en el vidrio, que es un buen aislante térmico, “las gotas de metal se pegaron y fueron difíciles de quitar”.

El hallazgo mostró que “podemos controlar la adhesión de una gota que se congela en una superficie controlando las propiedades térmicas” de esa superficie, dice. “Es un enfoque completamente nuevo” para determinar cómo los líquidos interactúan con las superficies, agrega. “Nos proporciona nuevas herramientas para controlar el resultado de tales interacciones líquido-sólido”.

Para explicar la diferencia de conductividad térmica de diferentes materiales, Varanasi da el ejemplo de dos superficies de suelo, una de piedra y otra de madera. Incluso si ambos están exactamente a la misma temperatura, si pisa con los pies descalzos la madera, se sentirá más caliente que la piedra. Esto se debe a que la piedra tiene una mayor efusividad térmica (la velocidad a la que un material puede intercambiar calor) que la madera, por lo que aleja el calor de los pies más rápidamente, lo que hace que se sienta más frío.

Los experimentos del estudio se llevaron a cabo con metal fundido, que es importante en algunos procesos industriales como los recubrimientos por pulverización térmica que se aplican a los álabes de las turbinas y otras partes de las máquinas. Para estos procesos, la calidad y uniformidad de los recubrimientos puede depender de qué tan bien se adhiera cada pequeña gota a la superficie durante la deposición. Es probable que los resultados también se apliquen a todo tipo de líquidos, incluida el agua, dice Varanasi.

Al recubrir superficies, “la forma en que las gotas impactan y forman salpicaduras dicta la integridad del recubrimiento en sí. Si no es perfecto, puede tener un impacto tremendo en el rendimiento de la pieza, como una pala de turbina ”, dice Varanasi. “Nuestros hallazgos proporcionarán una comprensión completamente nueva de cuándo las cosas se mantienen y cuándo no”.

Los nuevos conocimientos podrían ser útiles tanto cuando es deseable que las gotas se peguen a las superficies, como en algunos tipos de impresoras 3-D, para ayudar a garantizar que cada capa impresa se adhiera completamente a la capa anterior, como cuando es importante evitar las gotas. se pegue, como en las alas de un avión en clima helado. La investigación también podría ser útil para la limpieza y la gestión de residuos de los procesos de fabricación aditiva y pulverización térmica.

Controlando el destino de una gota helada

Se ve una gota de estaño fundido caer sobre una superficie de silicio, a la izquierda, que conduce bien el calor, y sobre el vidrio, a la derecha, que es un aislante térmico. En condiciones idénticas, la gota solidificada en el silicio cae inmediatamente cuando la superficie se inclina, mientras que la gota en el vidrio se adhiere firmemente a la superficie. (Imagen: Grupo Varanasi / MIT)

Soto dice que el descubrimiento se produjo cuando el equipo estaba estudiando el mecanismo de congelación local en la interfaz entre el líquido y el sustrato, utilizando una cámara térmica de alta velocidad que reveló efectos rápidos durante el proceso de enfriamiento que habrían sido imposibles de ver en escalas de tiempo más largas. . Las imágenes mostraron un desarrollo progresivo de franjas alrededor de los bordes exteriores de las gotas. “Entonces nos dimos cuenta de que la gota se curvó inesperadamente y se desprendió de la superficie cuando se congeló”, dice. Describieron este fenómeno como “auto-desprendimiento” de las gotas.

“Los ingredientes principales de este fenómeno”, dice De Ruiter, “son la interacción entre la dinámica de fluidos de corta escala de tiempo, que establece la adhesión, y los efectos térmicos de mayor escala de tiempo, que conducen a la deformación global”. El equipo desarrolló un mapa de diseño que captura diferentes resultados posibles (pegado, auto-pelado o rebote) en términos de propiedades térmicas clave: caída y efusividad del sustrato y temperaturas.

Dado que el grado en que las gotas se adhieren o no depende de las propiedades térmicas de un material, es posible adaptar esas propiedades en función de la aplicación, dice Soto. “Podemos imaginar escenarios en los que las propiedades térmicas se pueden ajustar en tiempo real a través de campos eléctricos o magnéticos, lo que permite ajustar la adherencia de la superficie a las gotas impactantes”.

El resultado de la adherencia también se puede controlar simplemente cambiando las temperaturas relativas de las gotas y la superficie, encontró el equipo. En muchos casos, estos cambios son contrarios a la intuición: por ejemplo, si bien uno podría esperar que la única forma de evitar que las gotas heladas se peguen es calentando un sustrato, el equipo encontró un nuevo régimen, donde enfriar la superficie también puede conducir al mismo resultado. .

La investigación fue apoyada por Alstom y una beca Rubicon de los Países Bajos.

Publicación: Jolet de Ruiter, Dan Soto & Kripa K. Varanasi, “Self-peeling of impacting gotitas”, Nature Physics (2017) doi: 10.1038 / nphys4252

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