Salpica unas gotas de agua en una sartén caliente y, si está lo suficientemente caliente, el agua chisporroteará y las gotas de agua parecerán rodar y flotar, flotando sobre la superficie.
La temperatura a la que se produce este fenómeno, llamado efecto Leidenfrost, es predecible y suele ocurrir por encima de los 230 grados centígrados. El equipo de Jiangtao Cheng, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Virginia Tech, ha descubierto un método para crear la levitación acuática a una temperatura mucho más baja, y los resultados se han publicado en Nature Physics. .
Junto al primer autor y Ph.D. El equipo de Cheng, estudiante Wenge Huang, colaboró con el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad Tecnológica de Dalian en secciones de la investigación.
El descubrimiento tiene un gran potencial en aplicaciones de transferencia de calor, como el enfriamiento de máquinas industriales y la limpieza de incrustaciones de superficies en intercambiadores de calor. También podría ayudar a prevenir daños e incluso desastres en la maquinaria nuclear.
Actualmente, hay más de 90 reactores nucleares operativos autorizados en los EE. UU. que alimentan a decenas de millones de hogares, sustentan a las comunidades locales y, de hecho, representan la mitad de la producción de electricidad de energía limpia del país. Se requieren recursos para estabilizar y enfriar esos reactores, y la transferencia de calor es crucial para las operaciones normales.
Desde hace tres siglos, el efecto Leidenfrost es un fenómeno muy conocido entre los físicos que establece la temperatura a la que las gotas de agua flotan sobre un lecho de su propio vapor. Si bien se ha documentado ampliamente que comienza a 230 grados Celsius, Cheng y su equipo han reducido ese límite mucho más.
El efecto se produce porque conviven dos estados diferentes del agua. Si pudiéramos ver el agua al nivel de la gota, observaríamos que no toda la gota hierve en la superficie, sólo una parte. El calor vaporiza el fondo, pero la energía no viaja a través de toda la gota. La porción líquida encima del vapor recibe menos energía porque gran parte se usa para hervir el fondo. Esa porción líquida permanece intacta, y esto es lo que vemos flotando sobre su propia capa de vapor. Esto se conoce desde su descubrimiento en el siglo XVIII como efecto Leidenfrost, en honor al médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost.
Esa temperatura caliente está muy por encima del punto de ebullición del agua de 100 grados Celsius porque el calor debe ser lo suficientemente alto como para formar instantáneamente una capa de vapor. Demasiado bajo y las gotas no flotan. Demasiado alto y el calor vaporizará toda la gota.
La medición tradicional del efecto Leidenfrost supone que la superficie calentada es plana, lo que hace que el calor incida uniformemente sobre las gotas de agua. Trabajando en el Laboratorio de Física de Fluidos de Virginia Tech, el equipo de Cheng ha encontrado una manera de reducir el punto de partida del efecto produciendo una superficie cubierta con micropilares.
"Al igual que las papilas de una hoja de loto, los micropilares hacen más que decorar la superficie", dijo Cheng. "Aportan a la superficie nuevas propiedades."
Los micropilares diseñados por el equipo de Cheng miden 0,08 milímetros de alto, aproximadamente el mismo ancho que un cabello humano. Están dispuestos en un patrón regular con una separación de 0,12 milímetros. Una gota de agua abarca 100 o más de ellos. Estos pequeños pilares presionan una gota de agua, liberando calor en el interior de la gota y haciendo que hierva más rápidamente.
En comparación con la opinión tradicional de que el efecto Leidenfrost se desencadena a 230 grados Celsius, los micropilares en forma de aletas presionan más calor en el agua que una superficie plana. Esto hace que las microgotas levitan y salten de la superficie en milisegundos a temperaturas más bajas porque la velocidad de ebullición se puede controlar cambiando la altura de los pilares.
Cuando se calentó la superficie texturizada, el equipo descubrió que la temperatura a la que se lograba el efecto flotante era significativamente más baja que la de una superficie plana, a partir de 130 grados Celsius.
No sólo se trata de un descubrimiento novedoso para la comprensión del efecto Leidenfrost, sino que supone un giro en los límites previamente imaginados. Un estudio de 2021 de la Universidad de Emory encontró que las propiedades del agua en realidad causaron que el efecto Leidenfrost fallara cuando la temperatura de la superficie calentada baja a 140 grados. Usando los micropilares creados por el equipo de Cheng, el efecto es sostenible incluso 10 grados por debajo de esa temperatura.
"Pensábamos que los micropilares cambiarían el comportamiento de este conocido fenómeno, pero nuestros resultados desafiaron incluso nuestra propia imaginación", dijo Cheng. "Las interacciones observadas entre burbujas y gotas son un gran descubrimiento para la transferencia de calor en ebullición."
El efecto Leidenfrost es más que un fenómeno intrigante de observar:también es un punto crítico en la transferencia de calor. Cuando el agua hierve, lo más eficiente es eliminar el calor de una superficie. En aplicaciones como la refrigeración de máquinas, esto significa que al adaptar una superficie caliente al enfoque texturizado presentado por el equipo de Cheng se elimina el calor más rápidamente, lo que reduce la posibilidad de daños causados cuando una máquina se calienta demasiado.
"Nuestra investigación puede prevenir desastres como las explosiones de vapor, que plantean importantes amenazas a los equipos industriales de transferencia de calor", afirmó Huang. "Las explosiones de vapor ocurren cuando las burbujas de vapor dentro de un líquido se expanden rápidamente debido a la presencia de una intensa fuente de calor cercana. Un ejemplo donde este riesgo es particularmente pertinente es en las plantas nucleares, donde la estructura de la superficie de los intercambiadores de calor puede influir en el crecimiento de las burbujas de vapor y potencialmente desencadenar tales explosiones A través de nuestra exploración teórica en el artículo, investigamos cómo la estructura de la superficie afecta el modo de crecimiento de las burbujas de vapor, proporcionando información valiosa para controlar y mitigar el riesgo de explosiones de vapor".
Otro desafío abordado por el equipo son las impurezas que los fluidos dejan en las texturas de las superficies rugosas, lo que plantea desafíos para la autolimpieza. En condiciones de limpieza por aspersión o enjuague, ni el Leidenfrost convencional ni las gotas frías a temperatura ambiente pueden eliminar completamente las partículas depositadas de la rugosidad de la superficie.
Usando la estrategia de Cheng, la generación de burbujas de vapor puede desalojar esas partículas de la rugosidad de la superficie y suspenderlas en la gota. Esto significa que las burbujas hirviendo pueden alejar el calor y las impurezas de la superficie.
