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

Ahora, Los investigadores del MIT han descubierto 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 hidrofóbicas de tales superficies, resulta que sus propiedades térmicas también son de vital importancia y brindan una oportunidad inesperada de "ajustar" esas superficies para satisfacer las necesidades exactas de una aplicación determinada. Los nuevos resultados se presentan hoy en la revista Física de la naturaleza , en un informe del profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi, ex postdoctorado Jolet de Ruiter, y el postdoctorado Dan Soto.

"Encontramos algo muy interesante, "Varanasi explica. Su equipo estaba estudiando las propiedades de un líquido, en este caso, gotas de metal fundido que se congelan 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 las gotas actuaron en las dos superficies debería haber sido similar, pero en cambio resultó ser dramáticamente diferente.

Sobre silicio, que conduce muy bien el calor, como hacen la mayoría de los metales, "el metal fundido acaba de caerse, "Dice Varanasi. Pero en 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, él dice. "Es un enfoque completamente nuevo" para determinar cómo interactúan los líquidos con las superficies, él añade. "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, uno hecho de piedra, otro de madera. Incluso si ambos están exactamente a la misma temperatura, si pisas 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 tus pies más rápidamente, haciendo que se sienta más frío.

Los experimentos del estudio se llevaron a cabo con metal fundido, lo cual es importante en algunos procesos industriales, como los recubrimientos por pulverización térmica que se aplican a las palas de las turbinas y otras partes de la máquina. Para estos procesos, la calidad y uniformidad de los recubrimientos pueden 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, incluyendo 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 3D, para ayudar a asegurarse de que cada capa impresa se adhiera completamente a la capa anterior, y cuando es importante evitar que las gotas se peguen, como en las alas de un avión en un clima helado. La investigación también podría ser útil para la limpieza y la gestión de residuos de la fabricación de aditivos y los procesos de pulverización térmica.

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 hubieran 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 mientras se congelaba, ", dice. Describieron este fenómeno como" autodespegado "de las gotas.

"Los principales ingredientes de este fenómeno, "De Ruiter dice, "son la interacción entre la dinámica de fluidos a corto plazo, que fijan la adherencia, y efectos térmicos de mayor duración, que conducen a una deformación global ". El equipo desarrolló un mapa de diseño que captura diferentes resultados posibles (pegar, 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 del material, es posible adaptar esas propiedades en función de la aplicación, Dice Soto. "Podemos imaginar escenarios donde las propiedades térmicas se pueden ajustar en tiempo real a través de campos eléctricos o magnéticos, permitiendo que la adherencia de la superficie a las gotas impactantes sea ajustable ".

El resultado de la adherencia también se puede controlar simplemente cambiando las temperaturas relativas de las gotas y la superficie, el equipo encontró. En muchos casos, estos cambios son contrarios a la intuición:por ejemplo, mientras que 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.