Cuando estás friendo algo en una sartén y algunas gotas de agua caen en la sartén, es posible que haya notado que esas gotas se deslizan sobre la película de aceite caliente. Ahora, Ese fenómeno aparentemente trivial ha sido analizado y comprendido por primera vez por investigadores del MIT, y puede tener importantes implicaciones para los dispositivos de microfluidos. sistemas de transferencia de calor, y otras funciones útiles.

Una gota de agua hirviendo sobre una superficie caliente a veces levita sobre una fina película de vapor, un fenómeno bien estudiado llamado efecto Leidenfrost. Porque está suspendido sobre un cojín de vapor, la gota puede moverse por la superficie con poca fricción. Si la superficie está cubierta con aceite caliente, que tiene una fricción mucho mayor que la película de vapor debajo de una gota de Leidenfrost, cabe esperar que la gota caliente se mueva mucho más lentamente. Pero, contraintuitivamente, La serie de experimentos en el MIT ha demostrado que ocurre el efecto contrario:la gota en el petróleo se aleja mucho más rápidamente que en el metal desnudo.

Este efecto, que impulsa las gotas a través de una superficie aceitosa calentada de 10 a 100 veces más rápido que en el metal desnudo, potencialmente podría usarse para sistemas de autolimpieza o descongelación, o para impulsar pequeñas cantidades de líquido a través de los diminutos tubos de los dispositivos de microfluidos utilizados para la investigación y las pruebas biomédicas y químicas. Los hallazgos se describen hoy en un artículo de la revista. Cartas de revisión física , escrito por el estudiante de posgrado Víctor Julio León y la profesora de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

En investigaciones anteriores, Varanasi y su equipo demostraron que sería posible aprovechar este fenómeno para algunas de estas posibles aplicaciones, pero la obra nueva, produciendo velocidades tan altas (aproximadamente 50 veces más rápido), podría abrir aún más usos nuevos, Dice Varanasi.

Después de un largo y minucioso análisis, León y Varanasi pudieron determinar el motivo de la rápida expulsión de estas gotas de la superficie caliente. En las condiciones adecuadas de alta temperatura, viscosidad del aceite, y espesor del aceite, el aceite formará una especie de capa delgada que recubre el exterior de cada gota de agua. A medida que la gota se calienta, Se forman pequeñas burbujas de vapor a lo largo de la interfaz entre la gota y el aceite. Debido a que estas minúsculas burbujas se acumulan aleatoriamente a lo largo de la base de la gota, se desarrollan asimetrías, y la menor fricción debajo de la burbuja afloja la unión de la gota a la superficie y la expulsa.

La película aceitosa actúa casi como la goma de un globo, y cuando las diminutas burbujas de vapor estallan, imparten una fuerza y ​​"el globo simplemente sale volando porque el aire sale por un lado, creando una transferencia de impulso, "Dice Varanasi. Sin la capa de aceite, las burbujas de vapor simplemente fluirían fuera de la gota en todas direcciones, prevenir la autopropulsión, pero el efecto de camuflaje los retiene como la piel del globo.

El fenómeno suena simple, pero resulta depender de una interacción compleja entre eventos que ocurren en diferentes escalas de tiempo.

Este fenómeno de auto-eyección recientemente analizado depende de una serie de factores, incluido el tamaño de la gota, el espesor y la viscosidad de la película de aceite, la conductividad térmica de la superficie, la tensión superficial de los diferentes líquidos del sistema, el tipo de aceite, y la textura de la superficie.

En sus experimentos, la viscosidad más baja de los diversos aceites que probaron fue aproximadamente 100 veces más viscosa que el aire circundante. Entonces, se hubiera esperado que hiciera que las burbujas se movieran mucho más lentamente que en el colchón de aire del efecto Leidenfrost. "Eso da una idea de lo sorprendente que es que esta gota se mueva más rápido, "Leon dice.

Cuando comienza la ebullición, las burbujas se formarán aleatoriamente a partir de algún sitio de nucleación que no esté justo en su centro. La formación de burbujas aumentará en ese lado, conduciendo a la propulsión en una dirección. Hasta aquí, los investigadores no han podido controlar la dirección de esa propulsión inducida aleatoriamente, pero ahora están trabajando en algunas formas posibles de controlar la direccionalidad en el futuro. "Tenemos ideas sobre cómo activar la propulsión en direcciones controladas, "Leon dice.

Notablemente, las pruebas mostraron que a pesar de que la película de aceite de la superficie, que era una oblea de silicio, tenía sólo de 10 a 100 micrones de grosor, aproximadamente el grosor de un cabello humano, su comportamiento no coincidía con las ecuaciones de una película delgada. En lugar de, debido a la vaporización de la película, en realidad, se estaba comportando como un charco de aceite infinitamente profundo. "Quedamos un poco asombrados" por ese hallazgo, Leon dice. Si bien una película delgada debería haber hecho que se pegara, la piscina virtualmente infinita le dio a la gota una fricción mucho menor, lo que le permite moverse más rápido de lo esperado, Leon dice.

El efecto depende del hecho de que la formación de pequeñas burbujas es un proceso mucho más rápido que la transferencia de calor a través de la película de aceite. unas mil veces más rápido, dejando suficiente tiempo para que se acumulen las asimetrías dentro de la gota. Cuando las burbujas de vapor se forman inicialmente en la interfaz agua-aceite, son mucho más aislantes que el líquido de la gota, dando lugar a perturbaciones térmicas importantes en la película de aceite. Estas perturbaciones hacen que la gota vibre, reduciendo la fricción y aumentando la tasa de vaporización.

Se necesitaron fotografías de alta velocidad para revelar los detalles de este efecto rápido, Leon dice, usando un 100, 000 cuadros por segundo cámara de video. "De hecho, puedes ver las fluctuaciones en la superficie, "Leon dice.

Inicialmente, Varanasi dice:"Estábamos perplejos en varios niveles en cuanto a lo que estaba pasando, porque el efecto fue tan inesperado. … Es una respuesta bastante compleja a lo que puede parecer simple, pero realmente crea esta propulsión rápida ".

En la práctica, el efecto significa que en determinadas situaciones, un simple calentamiento de una superficie, en la cantidad adecuada y con el tipo de recubrimiento aceitoso adecuado, podría hacer que las gotas corrosivas de incrustaciones se eliminen de una superficie. Más abajo en la línea una vez que los investigadores tengan más control sobre la direccionalidad, el sistema podría potencialmente sustituir algunas bombas de alta tecnología en dispositivos de microfluidos para impulsar las gotas a través de los tubos correctos en el momento adecuado. Esto puede resultar especialmente útil en situaciones de microgravedad, donde las bombas ordinarias no funcionan como de costumbre.

También puede ser posible adjuntar una carga útil a las gotas, creando una especie de sistema de entrega robótico a microescala, Dice Varanasi. Y aunque sus pruebas se centraron en las gotas de agua, potencialmente podría aplicarse a muchos tipos diferentes de líquidos y sólidos sublimantes, él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.