Si alguna vez ha salpicado pintura sobre un lienzo o rociado una bandeja para hornear galletas con aceite, probablemente creó, además de un lío menor, una lluvia de gotas, que van desde manchas del tamaño de una moneda de diez centavos hasta manchas de punta de lápiz.

Estos tamaños de gotas pueden parecer aleatorios, pero ahora los ingenieros del MIT pueden predecir la distribución del tamaño de las gotas de un líquido, incluida la probabilidad de producir gotas muy grandes y muy pequeñas, basado en una propiedad principal:la viscoelasticidad del líquido, o pegajosidad. Y lo que es más, el equipo ha descubierto que, pasado una cierta pegajosidad, Los fluidos siempre exhibirán el mismo rango relativo de tamaños de gotas.

Saber qué tan grandes o pequeñas pueden ser las gotas de un aerosol líquido puede ayudar a los investigadores a identificar los fluidos óptimos para una serie de aplicaciones industriales. de prevenir defectos en trabajos de pintura automotriz, a la fertilización de campos agrícolas mediante fumigación aérea.

Los resultados de los investigadores se publicaron en octubre en la revista Cartas de revisión física . El autor principal del artículo es Bavand Keshavarz, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Gareth McKinley, quien es el profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería en el MIT y el autor principal del artículo. Sus coautores incluyen a Eric Houze, John Moore, y Michael Koerner de Axalta Coating Systems, un fabricante de pinturas para vehículos comerciales con sede en Filadelfia.

Un ingrediente espesante

Las formas en que los líquidos se fragmentan, o romperse en gotitas, ha sido una fascinación durante siglos y un campo de estudio activo durante las últimas décadas. Científicos, intentando caracterizar la fragmentación líquida, se han centrado típicamente en lo que se conoce como fluidos newtonianos, como el agua y el aceite, relativamente diluidos, líquidos homogéneos que no incluyen partículas finas o moléculas largas como polímeros que afectarían la forma en que fluyen dichos fluidos.

A principios de la década de 2000, Los científicos derivaron una ecuación simple para describir cómo se comporta cualquier fluido newtoniano cuando se atomiza, o rociado en gotitas. Incrustado en esta ecuación había un solo parámetro, "norte, "que determina qué tan amplia o estrecha puede ser la distribución de las gotas de un líquido. Cuanto mayor sea el valor de" n, "cuanto más estrecha es la distribución de tamaño final.

Pero cuando este valor es relativamente grande, la ecuación no describe la distribución más amplia de tamaños de gotas observada para más viscoelásticos, fluidos no newtonianos como la saliva, sangre, pintura, y resinas. Keshavarz y McKinley sospecharon que la pegajosidad de un fluido no newtoniano, o viscoelasticidad, podría tener algo que ver con el desajuste.

"Lo que queríamos agregar a la literatura era cómo la viscoelasticidad puede cambiar este parámetro n, que es el parámetro más importante porque dicta cuántas gotas de un tamaño específico puede producir un líquido, en comparación con el tamaño medio de las gotas, "Dice Keshavarz." Ahora, por primera vez para una variedad de fluidos, pudimos cuantificar eso ".

"Congelado en el tiempo"

Para hacerlo Keshavarz y McKinley establecieron varios experimentos para observar la fragmentación de líquidos en fluidos tanto newtonianos como no newtonianos. Utilizaron agua y mezclas de agua y glicerol como los fluidos newtonianos clásicos, y creó muestras no newtonianas mezclando una solución de agua-glicerol con cantidades variables de polímeros con diferentes pesos moleculares. También experimentaron con varias pinturas y resinas industriales.

Los investigadores sometieron cada muestra líquida a tres pruebas de atomización diferentes, primero dejando caer líquidos sobre una superficie plana, luego rociarlos a través de una boquilla, y finalmente, formando una pulverización del líquido al chocar dos chorros. El equipo utilizó una técnica de luz estroboscópica, desarrollado originalmente por Harold "Doc" Edgerton del MIT, para crear imágenes de milisegundos de cada experimento.

El equipo observó casi 5, 000 gotas por cada líquido que probaron. Sus imágenes mostraron que, en general, más delgada, Los fluidos newtonianos produjeron un rango más estrecho de tamaños de gotas, independientemente del tipo de experimento realizado, mientras que los fluidos viscoelásticos tenían distribuciones más amplias, generando un mayor número de gotas grandes y pequeñas.

A medida que fueron rociados o arrojados, los fluidos viscoelásticos crearon ligamentos largos, o proyecciones en forma de cuerda, que primero se estiró, luego finalmente se rompió en gotitas.

"Cada imagen hace que los ligamentos parezcan congelados en el tiempo, ", Dice Keshavarz." En una fracción de milisegundo, se rompen en un rango finito de tamaños de gotas ".

Un perfil universal

Volviendo a la ecuación original que describe la fragmentación de los fluidos newtonianos, Keshavarz señaló que el parámetro "n, "que establece la distribución del tamaño de las gotas, también está determinada por la suavidad de los ligamentos que finalmente se fragmentan en gotas. En las imágenes de sus experimentos, sin embargo, los investigadores observaron que los fluidos más viscoelásticos producían más baches, ligamentos más ondulados. Keshavarz planteó la hipótesis de que cuanto más pegajoso es un líquido, cuanto más se resiste a alisarse, ya que forma un ligamento.

Para probar esta hipótesis, desarrolló un nuevo experimento, llamada prueba de "tensión escalonada", en el que exprimió un líquido entre dos platos, luego separó rápidamente las placas, tirando del líquido hacia arriba y estirándolo hasta formar un ligamento antes de que se separe en gotas. En imágenes de alta velocidad de estas pruebas, los investigadores observaron que los fluidos viscoelásticos presentaban ligamentos más abultados, asemejándose a cuentas en una cuerda. Cuanto más pegajoso es el líquido, cuanto más ondulado se volvía el ligamento. Los investigadores midieron las ondulaciones y encontraron que, pasado una cierta pegajosidad, el grado de abultamiento de un ligamento siguió siendo el mismo.

De sus imágenes de chorros viscoelásticos, Los investigadores también midieron la velocidad a la que se adelgaza cada ligamento, también conocido como tiempo de relajación del líquido. Similar, encontraron que esta tasa se vuelve casi constante para los líquidos viscoelásticos. El equipo realizó algunos cálculos para ajustar las mediciones del tiempo de relajación en la ecuación original para la fragmentación del líquido. y encontré que, todas las demás variables son conocidas, el parámetro "n" alcanzó un valor mínimo sin importar lo pegajoso que fuera el fluido, correspondiente a una amplitud máxima en la distribución de tamaños de gota.

En otras palabras, los investigadores identificaron la distribución más amplia de tamaños de gotas que cualquier viscoelástico, El fluido no newtoniano posiblemente puede exhibir cuando se rocía.

"Independientemente del tipo de experimento, o el tipo de polímero o concentración, vemos esta distribución universal, y es ampliamente aplicable a una amplia gama de fluidos, "Dice McKinley.

Por último, él dice que esta nueva comprensión de la fragmentación de fluidos puede ser útil en varias áreas, incluida la combustión, aerosoles farmacéuticos y agrícolas, inyectores de tinta, y la industria de recubrimientos automotrices, donde los fabricantes buscan formas de prevenir el "exceso de pulverización" y aumentar la eficiencia de la pintura con pulverización.

"Cuando rocían un coche, tienen que pegar las ventanas con cinta adhesiva porque no importa lo cuidadoso que sea, siempre hay un exceso de pulverización, que es pintura desperdiciada, "Dice McKinley". Además, si estás rociando pintura, las mayores caídas tienden a presentarse como defectos. Esa es una de las razones por las que le importa la distribución del tamaño de las gotas:desea saber qué tan grandes serán las gotas más grandes, porque un buen trabajo de pintura al final del día debe ser un acabado perfectamente liso ".