Un fluido de límite elástico similar a un gel, cima, se mueve como un tapón sin cortarse en un tubo con el nuevo revestimiento de superficie. En el fondo, se ve el mismo fluido cizallando mientras fluye en un tubo sin recubrimiento, donde parte del líquido se adhiere al tubo mientras parte de él continúa fluyendo. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Un equipo de investigación del MIT que ya ha superado el problema de sacar el ketchup de su botella ahora ha abordado una nueva categoría de problemas para el consumidor y la fabricación:cómo hacer que materiales mucho más gruesos se deslicen sin pegarse ni deformarse.
Los revestimientos resbaladizos que ha desarrollado el equipo, llamadas superficies impregnadas de líquido, podría tener numerosas ventajas, incluida la eliminación de los desechos de producción que resultan del material que se adhiere al interior de los equipos de procesamiento. También podrían mejorar la calidad de productos que van desde el pan hasta los productos farmacéuticos, e incluso mejorar la eficiencia de las baterías de flujo, una tecnología de rápido desarrollo que podría ayudar a fomentar la energía renovable al proporcionar almacenamiento económico para la electricidad generada.
Estas superficies se basan en principios inicialmente desarrollados para ayudar a los alimentos, productos cosméticos, y otros líquidos viscosos se deslizan fuera de sus recipientes, según lo ideado por Kripa Varanasi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, junto con ex alumnos Leonid Rapoport Ph.D. '18 y Brian Solomon Ph.D. 'dieciséis. El nuevo trabajo se describe en la revista. Materiales e interfaces aplicados de ACS .
Al igual que las superficies anteriores que desarrollaron, lo que llevó a la creación de una empresa derivada llamada LiquiGlide, las nuevas superficies se basan en una combinación de una superficie de textura especial y un lubricante líquido que recubre la superficie y permanece atrapada en su lugar a través de la acción capilar y otras fuerzas intermoleculares asociadas con tales interfaces. El nuevo artículo explica los principios de diseño fundamentales que pueden lograr una reducción de la fricción de casi el 100 por ciento para estos fluidos gelatinosos.
Necesitando un apretón
Tales materiales, conocidos como fluidos de límite elástico, incluidos geles y pastas, son omnipresentes. Se pueden encontrar en productos de consumo como alimentos, condimentos y cosmética, y en productos de las industrias energética y farmacéutica. A diferencia de otros fluidos como el agua y los aceites, estos materiales no comenzarán a fluir por sí solos, incluso cuando su recipiente está boca abajo. Iniciar el flujo requiere una entrada de energía, como apretar el recipiente.
Pero ese apretón tiene sus propios efectos. Por ejemplo, La maquinaria para hacer pan generalmente incluye raspadores que constantemente empujan la masa pegajosa lejos de los lados de su recipiente. pero ese raspado constante puede resultar en un amasado excesivo y una hogaza más densa. Un recipiente resbaladizo que no requiera raspado podría producir un pan de mejor sabor, Dice Varanasi. Al usar este sistema, "más allá de sacar todo del contenedor, ahora agrega mayor calidad "del producto resultante.
Eso puede no ser crítico en lo que respecta al pan, pero puede tener un gran impacto en los productos farmacéuticos, él dice. El uso de raspadores mecánicos para impulsar los materiales del fármaco a través de tanques y tuberías de mezcla puede interferir con la eficacia del medicamento. porque las fuerzas de cizallamiento involucradas pueden dañar las proteínas y otros compuestos activos del fármaco.
Al usar los nuevos recubrimientos, en algunos casos es posible lograr una reducción del 100 por ciento en el arrastre que experimenta el material, equivalente a "deslizamiento infinito, "Dice Varanasi.
Cuando un fluido de tensión de fluencia, un material similar a un gel, fluye en un simple tubo de vidrio, se adhiere a las paredes y experimenta un esfuerzo cortante. Sin embargo, un tubo revestido con un revestimiento resbaladizo permite que el fluido se mueva como un tapón sin cortarse y sin manchar el tubo. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
"En general, las superficies son habilitadores, ", dice Rapoport." Superficies superhidrofóbicas, por ejemplo, permitir que el agua ruede fácilmente, pero no todos los fluidos pueden rodar. Nuestras superficies permiten que los fluidos se muevan de la manera que sea más preferible para ellos, ya sea rodando o deslizándose. Además, descubrimos que los fluidos de tensión de fluencia pueden moverse sobre nuestras superficies sin cortarse, esencialmente deslizándose como cuerpos sólidos. Esto es muy importante cuando desea mantener la integridad de estos materiales cuando se procesan ".
Como la versión anterior de superficies resbaladizas que crearon Varanasi y sus colaboradores, el nuevo proceso comienza haciendo una superficie con textura a nanoescala, ya sea grabando una serie de pilares o paredes poco espaciados en la superficie, o rectificado mecánicamente de ranuras o picaduras. La textura resultante está diseñada para tener características tan pequeñas que la acción capilar, el mismo proceso que permite a los árboles llevar agua hasta sus ramas más altas a través de pequeñas aberturas debajo de la corteza, puede actuar para retener un líquido, como un aceite lubricante, en su lugar en la superficie. Como resultado, cualquier material dentro de un recipiente con este tipo de revestimiento esencialmente solo entra en contacto con el líquido lubricante, y se desliza de inmediato en lugar de adherirse a la pared sólida del contenedor.
El nuevo trabajo descrito en este artículo detalla los principios que los investigadores idearon para permitir la selección óptima de texturas de superficies, material lubricante, y proceso de fabricación para cualquier aplicación específica con su particular combinación de materiales.
Ayudando a que las baterías fluyan
Otra aplicación importante de los nuevos recubrimientos se encuentra en una tecnología de rápido desarrollo llamada baterías de flujo. En estas baterías, Los electrodos sólidos se reemplazan por una suspensión de partículas diminutas suspendidas en líquido, lo cual tiene la ventaja de que la capacidad de la batería se puede aumentar en cualquier momento simplemente agregando tanques más grandes. Pero la eficiencia de tales baterías puede verse limitada por los caudales.
El uso de los nuevos recubrimientos resbaladizos podría aumentar significativamente la eficiencia general de tales baterías, y Varanasi trabajó con los profesores del MIT Gareth McKinley y Yet-Ming Chiang en el desarrollo de un sistema de este tipo dirigido por Solomon y Xinwei Chen, un ex postdoctorado en el laboratorio de Chiang.
Estos recubrimientos podrían resolver un enigma al que se han enfrentado los diseñadores de baterías de flujo. porque necesitaban agregar carbono al material de la lechada para mejorar su conductividad eléctrica, pero el carbón también hizo que la lechada fuera mucho más espesa e interfirió con su movimiento, dando lugar a "una batería de flujo que no podía fluir, "Dice Varanasi.
"Anteriormente, las baterías de flujo tenían el inconveniente de que a medida que se agregaban más partículas de carbono, la lechada se volvía más conductora, pero también se vuelve más grueso y mucho más difícil de fluir, "dice Solomon." El uso de superficies resbaladizas nos permite tener lo mejor de ambos mundos al permitir el flujo de espeso, lodos con estrés de fluencia ".
El sistema mejorado permitió el uso de una formulación de electrodo de flujo que resultó en un aumento de cuatro veces en la capacidad y un ahorro del 86 por ciento en energía mecánica. en comparación con el uso de superficies tradicionales. Estos resultados fueron descritos recientemente en la revista Materiales de energía aplicada ACS .
"Además de fabricar un dispositivo de batería de flujo que incorpora las superficies resbaladizas, también establecimos criterios de diseño para su electroquímica, químico, y estabilidad termodinámica, ", explica Solomon." Las superficies de ingeniería para una batería de flujo abren una rama completamente nueva de aplicaciones que pueden ayudar a satisfacer la demanda futura de almacenamiento de energía ".
