Los investigadores japoneses han logrado derivar una fórmula teórica que predice cuantitativamente el comportamiento de humectación y propagación de las gotas que chocan con la superficie plana de un material sólido. Aunque el comportamiento de las gotas que chocan con una superficie sólida parece simple superficialmente, en realidad es bastante complicado debido a factores interrelacionados como la rugosidad de la superficie, movimiento fluido, y humectabilidad (facilidad de adherencia del líquido) de la superficie sólida por el líquido. En el pasado, investigadores de todo el mundo han intentado hacer predicciones cuantitativas sobre la extensión de las áreas húmedas a través de la experimentación, teoría y análisis numérico, pero predicción, particularmente durante colisiones lentas, aún no se han realizado.

Las colisiones de gotas en superficies sólidas son clave para muchas aplicaciones industriales, como impresoras de chorro de tinta, Inyectores de combustible y enfriamiento por aspersión. El área máxima de humectación y dispersión de las gotas después de la colisión es uno de los parámetros más importantes que influyen en la calidad y eficiencia de dicho equipo.

El área máxima de humectación y esparcimiento de una gota también varía según la naturaleza de la gota, la velocidad a la que golpea la gota, y la naturaleza del sólido sobre el que golpea. Por ejemplo, cuando una gota choca con vidrio o teflón, el área máxima de humectación y esparcimiento será diferente. La facilidad con la que un líquido se adhiere a una superficie depende de la humectabilidad de la superficie. La humectabilidad de las gotas que se adhieren a una superficie sólida se caracteriza por la ecuación de equilibrio dinámico tangencial (ecuación de Young) en la línea de contacto.

En estudios teóricos anteriores sobre el área máxima de humectación y dispersión de las gotas de colisión, sólo se consideró la ecuación de equilibrio de la línea de contacto en la dirección tangencial. No hubo expresiones relacionales para predecir el área máxima de humectación y propagación de una gota en una amplia gama de condiciones de velocidad de impacto. Típicamente, se utilizan dos métodos para hacer cálculos, uno cuando las velocidades de colisión son altas y otro cuando las velocidades son bajas. Sin embargo, el método convencional utilizado para colisiones de alta velocidad genera grandes errores a bajas velocidades, y el método convencional utilizado para colisiones de baja velocidad devuelve grandes errores a altas velocidades.

Para reducir los errores de cálculo, una colaboración entre los investigadores de la Universidad de Kumamoto y la Universidad de Kyoto se centró en la tensión superficial normal en la línea de contacto, y el balance de energía de las gotas que chocan con superficies sólidas. Mientras lo hace, consideraron las desventajas de usar métodos convencionales para evaluar la disipación viscosa de energía causada por el movimiento de un fluido dentro de una gota en el momento de la colisión, y derivó una nueva fórmula teórica.

Esta fórmula predice cuantitativamente el área máxima de humectación y esparcimiento cuando las gotas chocan con varios tipos de sólidos, como caucho de silicona o sustratos superhidrófobos. Es más, los investigadores confirmaron que se puede aplicar no solo a gotitas de tamaño milimétrico sino también de tamaño micro.

"Recientemente, La tecnología de fabricación de circuitos a nanoescala para sustratos semiconductores que utilizan tecnología de inyección de tinta ha atraído mucha atención. "dijo el profesor asistente Yukihiro Yonemoto de la Universidad de Kumamoto, quién dirige el estudio. "Observaciones de fenómenos a nanoescala, sin embargo, requieren equipos experimentales costosos, y la predicción mediante análisis numérico requiere tecnología especializada. Mediante el uso de un método simple para predecir el área máxima de dispersión de humectación de una gota después de una colisión, podemos esperar realizar diseños de circuitos más eficientes, entre otras cosas. "Las gotas que golpean la superficie de un material sólido plano no solo se estirarán y esparcirán, pero también se dividirá en gotitas más finas (fenómeno de salpicadura) si la energía en el momento de la colisión es grande. Investigadores de la Universidad de Kumamoto y la Universidad de Kyoto están trabajando actualmente en una teoría que considera estos fenómenos para ampliar aún más los resultados de su investigación.

Este hallazgo se publicó en línea en la revista de acceso abierto. Informes científicos el 24 de mayo de 2017.