En muchas situaciones Los ingenieros quieren minimizar el contacto de las gotas de agua u otros líquidos con las superficies sobre las que caen. Ya sea que el objetivo sea evitar que se acumule hielo en el ala de un avión o en la pala de una turbina eólica, o prevenir la pérdida de calor de una superficie durante la lluvia, o prevenir la acumulación de sal en superficies expuestas al rocío del océano, Hacer que las gotas reboten lo más rápido posible y minimizar la cantidad de contacto con la superficie puede ser clave para mantener los sistemas funcionando correctamente.

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, incluso por miembros del mismo equipo, se han centrado en minimizar la cantidad de tiempo que la gota pasa en contacto con la superficie, En cambio, el nuevo método se centra en la extensión espacial del contacto, tratando de minimizar la distancia a la que se esparce una gota antes de rebotar.

Los nuevos hallazgos se describen en la revista. ACS Nano en un artículo del estudiante graduado del MIT Henri-Louis Girard, postdoctorado Dan Soto, y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. La clave del proceso, ellos explican está creando una serie de formas de anillos elevados en la superficie del material, lo que hace que la gota que cae salpique hacia arriba en un patrón en forma de cuenco en lugar de fluir plana a través de la superficie.

El trabajo es un seguimiento de 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, que interrumpió el patrón de propagación de las gotas impactantes. Pero el nuevo trabajo lleva esto más lejos, logrando una reducción mucho mayor en la combinación de tiempo de contacto y área de contacto de una gota.

Para evitar la formación de hielo en el ala de un avión, por ejemplo, es fundamental conseguir que las gotas de agua que impactan reboten en menos tiempo del que tarda el agua en congelarse. La superficie estriada anterior logró reducir el tiempo de contacto, pero Varanasi dice "desde entonces, encontramos que hay otra cosa en juego aquí, "que es hasta dónde se extiende la gota antes de rebotar y rebotar". La reducción del área de contacto de la gota impactante también debería tener un impacto dramático en las propiedades de transferencia de la interacción, "Dice Varanasi.

El equipo inició una serie de experimentos que demostraron que anillos elevados del tamaño justo, cubriendo la superficie, causaría que el agua que sale de una gota impactante salpique hacia arriba, formando un chapoteo en forma de cuenco, y que el ángulo de esa salpicadura hacia arriba podría controlarse ajustando la altura y el perfil de esos anillos. Si los anillos son demasiado grandes o demasiado pequeños en comparación con el tamaño de las gotas, el sistema se vuelve menos eficaz o no funciona en absoluto, pero cuando el tamaño es el adecuado, el efecto es dramático.

Resulta que reducir el tiempo de contacto por sí solo no es suficiente para lograr la mayor reducción en el contacto; es la combinación del tiempo y el área de contacto lo que es fundamental. 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 bajo la curva, es decir, el producto del tiempo y la extensión del contacto. El área de la difusión fue "fue otro eje que nadie ha tocado" en investigaciones anteriores, Girard dice. "Cuando empezamos a hacerlo, vimos una reacción drástica, "reduciendo el contacto total de tiempo y área de la gota en un 90 por ciento". La idea de reducir el área de contacto formando 'cuencos de agua' tiene un efecto mucho mayor en la reducción de la interacción general que reduciendo el tiempo de contacto solo, "Dice Varanasi.

A medida que la gota comienza a extenderse dentro del círculo elevado, tan pronto como golpea el borde del círculo, comienza a desviarse. "Su impulso se redirige hacia arriba, "Girard dice, y aunque termina extendiéndose hacia afuera tanto como lo hubiera hecho de otra manera, ya no está en la superficie, y por lo tanto no enfriar la superficie, o que conduce a la formación de hielo, o bloqueando los poros en una tela "impermeable".

Los anillos en sí se pueden fabricar de diferentes formas y con diferentes materiales, los investigadores dicen que lo que importa es el tamaño y el espacio. Para algunas pruebas, utilizaron anillos impresos en 3D sobre un sustrato, y para otros, utilizaron una superficie con un patrón creado mediante un proceso de grabado similar al utilizado en la fabricación de microchips. Otros anillos se fabricaron mediante el fresado de plástico controlado por computadora.

Si bien los impactos de gotas de mayor velocidad generalmente pueden ser más dañinos para una superficie, con este sistema, las velocidades más altas realmente mejoran la eficacia de la redirección, aclarando aún más líquido que a velocidades más lentas. Son buenas noticias para aplicaciones prácticas, por ejemplo, al lidiar con la lluvia, que tiene una velocidad relativamente alta, Girard dice. "En realidad, funciona mejor cuanto más rápido vas, " él dice.

Además de mantener el hielo fuera de las alas del avión, 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 trata con los anillos superficiales, las telas mantuvieron su capacidad de verter agua durante más tiempo, y se desempeñó mejor en general, Girard dice. "Hubo una mejora del 50 por ciento al usar las estructuras de anillo, " él dice.