Las burbujas son finas capas líquidas rodeadas de aire. Aunque menos conocidas, también existen las antiburbujas, que son lo opuesto a las burbujas, es decir, una fina envoltura de vapor rodeada de líquido. En un nuevo estudio, demostramos que es posible crear antiburbujas impactando una gota de un líquido volátil en un baño de aceite viscoso calentado a una temperatura superior al punto de ebullición de la gota.
Descubrimos este fenómeno por casualidad en el laboratorio GRASP de la Universidad de Lieja mientras estudiamos otro problema relacionado con la aparición del efecto Leidenfrost para una gota volátil en un baño líquido.
Durante este estudio, depositamos suavemente la gota volátil en un baño caliente de aceite viscoso. La idea original era reducir el movimiento de las gotas tanto como fuera posible para no afectar la medición del inicio del efecto Leidenfrost. Este efecto, que lleva el nombre de un científico alemán del siglo XVIII, corresponde a la situación paradigmática en la que una gota de agua se mueve sobre una sartén caliente, prácticamente sin fricción. La investigación se publica en la revista Physical Review Letters. .
De hecho, el calor proporcionado por la sartén vaporiza la gota, provocando así efectivamente su levitación sobre la superficie caliente. Por extensión, el efecto Leidenfrost se aplica a cualquier situación en la que un objeto está separado por una capa de gas sostenida por su propia evaporación provocada por una transferencia de calor desde el sustrato.
Sin embargo, en el transcurso de este estudio, nos dimos cuenta de que si soltábamos la gota volátil desde arriba, la energía cinética de la gota le permitía penetrar en el baño, rodeada por una fina película de gas. La siguiente columna recubierta de gas, que se forma dinámicamente, se desestabiliza y eventualmente se pellizca. El resultado es una gota encapsulada por una fina capa de vapor rodeada por el baño líquido, es decir, una antiburbuja.
Este tipo de objetos se fabricaban antes en condiciones isotérmicas pero su existencia era extremadamente corta, menos de 100 ms. De hecho, dado que la presión hidrostática es mayor en la parte inferior que en la parte superior de la antiburbuja, un drenaje impulsado por gravedad favorece un flujo de gas.
El fondo se vuelve entonces más fino, más frágil y, finalmente, la gota y el líquido del baño entran en contacto, provocando la muerte de la antiburbuja. Sin embargo, cuando se utiliza una gota volátil en un baño sobrecalentado, se establece un flujo de calor desde el baño hacia la gota, a través de la delgada capa de gas, y la vaporización posterior de la gota puede contrarrestar el efecto del drenaje.
La antiburbuja resultante tiene una vida mucho más larga. Como el origen físico de estas antiburbujas relativamente estables es la diferencia de temperatura entre el baño y la gota, acuñamos la terminología "antiburbujas térmicas" para estos objetos.
Como primer paso, estudiamos sistemáticamente las condiciones de impacto, es decir, la inercia de la gota entrante y la diferencia de temperatura entre el baño y la gota que condujo a la formación de antiburbujas térmicas. Establecimos un diagrama de fases en función de estos dos parámetros donde se pueden crear antiburbujas para el par de fluidos que consideraron en su estudio.
Luego, nos centramos en la dinámica de una antiburbuja térmica después de su formación. Observamos que la antiburbuja se hunde primero en el baño ya que la densidad del líquido que compone la gota es mayor que la densidad del baño viscoso y la capa de vapor que rodea la gota es inicialmente muy delgada. Como el baño está más caliente que el punto de ebullición de la gota, la gota se evapora y alimenta la capa de gas de la antiburbuja sin hervir (esa es la magia de Leidenfrost).
Como resultado de la generación de vapor, la flotabilidad de la antiburbuja aumenta y alcanza un punto en el que iguala el peso de la gota y la antiburbuja se detiene. Posteriormente, la flotabilidad de la antiburbuja vence el peso de la gota y su movimiento se invierte hacia la superficie del baño.
A medida que la antiburbuja completa su recorrido a través del baño caliente, seguimos los contornos de la antiburbuja y deducimos su volumen en función del tiempo. Para una gota de aproximadamente 800 μm de radio y una diferencia de temperatura entre el baño y la gota cercana a 80 °C, observamos que el volumen de la antiburbuja aumentó en un factor de tres en aproximadamente 200 ms. Para diferencias de temperatura mayores, la tasa de inflación de la antiburbuja es aún mayor.
Para racionalizar sus observaciones, nuestros colegas del laboratorio TIP de la Universidad Libre de Bruselas y que participan en este estudio, trabajaron para modelar el problema. Dado que la transferencia de calor que conduce a la evaporación de la gota está subordinada al espesor de la capa de gas que a su vez se ve afectada por el drenaje gravitacional, se debe escribir un modelo acoplado de transporte de calor y fluido.
El primer paso fue adaptar los modelos desarrollados previamente para racionalizar la dinámica de la capa de vapor en el problema de las gotas de Leidenfrost sobre un sustrato líquido. Pero desafortunadamente, este enfoque predijo una tasa de inflación de la antiburbuja mucho más alta, aproximadamente 20 veces mayor que la observada experimentalmente.
Trabajamos duro para encontrar el ingrediente que falta en este modelo. Finalmente, descubrimos que el ingrediente que faltaba era la termalización de la gota a temperatura ambiente al impactar y bombear energía térmica desde el baño para alcanzar su temperatura de ebullición. El efecto de la termalización de las gotas generalmente se ignora en los problemas que involucran gotas de Leidenfrost, ya que se refiere a la dinámica temprana de las gotas, mientras que los experimentos estudian principalmente la vida útil total de estas gotas.
En el problema actual de las antiburbujas térmicas, demostramos que la termalización de las gotas es esencial para predecir su dinámica. En ausencia de termalización, la tasa de inflación de las antiburbujas sería mucho mayor, lo que reduciría considerablemente su vida útil y haría que estos objetos fueran aún más efímeros de lo que realmente son.
En la literatura se encontraba disponible una solución analítica para la termalización por difusión de una esfera llevada repentinamente a una temperatura diferente en su interfaz que en su centro. Afortunadamente, fue posible simplificar aún más la solución inicial gracias a las breves escalas de tiempo consideradas y el cálculo del modelo se pudo lograr fácilmente.
Una prueba experimental de la importancia de la termalización de las gotas es la fe de pequeñas gotas satélite que a veces aparecen cuando el baño pellizca la gota madre en el momento del impacto. La tasa de inflación de estas gotitas satélite es mucho mayor que la de la gotita madre. La diferencia es tan grande que el volumen de la antiburbuja diminuta puede alcanzar rápidamente el de la antiburbuja grande. Esta observación es una prueba directa del papel principal de la termalización de las gotas, ya que las gotas satélite se termalizan mucho más rápido que las gotas madre debido a su pequeño tamaño.
De hecho, sólo el término de termalización puede racionalizar esta observación en las ecuaciones que describen el problema. Al final, resulta que dentro de los primeros 100 milisegundos después de su creación, una gota de Leidenfrost bombea aproximadamente el 95% del calor proveniente del baño para termalizarse y no evaporarse, como se podría deducir de los modelos existentes. /P>
Concluimos que las antiburbujas térmicas son objetos únicos para visualizar directamente la tasa de evaporación de gotas volátiles bajo diferentes condiciones térmicas y las consecuencias de la termalización de las gotas.
En el futuro, estos objetos podrían considerarse como pequeñas sondas para estimar las propiedades térmicas de fluidos en diferentes situaciones de interés práctico. Por último, si la vida útil de estas antiburbujas térmicas es efectivamente varias veces mayor que la de sus homólogas isotérmicas, todavía no hemos logrado una satisfacción total. El factor limitante para estos objetos es el hecho de que después de alcanzar la interfaz debido a su densidad que cambia rápidamente, se parecen mucho a burbujas superficiales normales y ya no pueden considerarse antiburbujas.
La próxima historia sobre este tema debería escribirse desde entornos libres de gravitación, con suerte en escalas de tiempo mayores, gracias a un proyecto aprobado por la ESA para vuelos parabólicos que probablemente se realizará en 2024.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.
Más información: Jonas Miguet et al, Antiburbujas térmicas:cuando la termalización de gotas de Leidenfrost encapsuladas importa, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001
Información de la revista: Cartas de revisión física
El equipo incluye investigadores que trabajan en el campo de la materia blanda en tres laboratorios de Bélgica y Francia. Benoid Scheid y Stéphane Dorbolo han hecho importantes contribuciones al problema de las antiburbujas isotérmicas en el pasado. Laurent Maquet y Baptiste Darbois Texier han estudiado varios problemas relacionados con el efecto Leidenfrost. Jonas Miguet es especialista en transferencia de masa en películas finas de fluidos. Todas estas habilidades juntas han permitido racionalizar la dinámica de estos nuevos objetos, que hemos llamado "antiburbujas térmicas".
