En superficies rugosas superhidrofóbicas convencionales, diminutas gotas de líquido en el estado Wenzel permanecerán clavadas a las texturas de la superficie. A diferencia de, la nueva superficie rugosa resbaladiza permite una alta movilidad para las gotas de Wenzel. Crédito:Xianming Dai y Tak-Sing Wong, Penn State
Las hojas de la flor de loto y otras superficies naturales que repelen el agua y la suciedad, han sido el modelo para muchos tipos de superficies repelentes de líquidos. Tan resbaladizas como son estas superficies, sin embargo, pequeñas gotas de agua todavía se adhieren a ellos. Ahora, Los investigadores de Penn State han desarrollado nano / microtexturizado, Superficies altamente resbaladizas capaces de superar a estos recubrimientos de inspiración natural. particularmente cuando el agua es vapor o gotitas diminutas.
Mejorar la movilidad de las gotas de líquido en superficies rugosas podría mejorar la transferencia de calor por condensación para los intercambiadores de calor de las centrales eléctricas, crear una recolección de agua más eficiente en las regiones áridas, y evitar la formación de hielo y la formación de escarcha en las alas de los aviones. "Esto representa un concepto fundamentalmente nuevo en superficies diseñadas, "dijo Tak-Sing Wong, profesor asistente de ingeniería mecánica y miembro de la facultad del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. "Nuestras superficies combinan las arquitecturas de superficie únicas de las hojas de loto y las plantas de jarra de tal manera que estas superficies poseen un área de superficie alta y una interfaz resbaladiza para mejorar la recolección y la movilidad de las gotas. La movilidad de las gotas de líquido en superficies rugosas depende en gran medida de cómo el líquido moja la superficie. Hemos demostrado por primera vez experimentalmente que las gotas de líquido pueden ser muy móviles cuando se encuentran en el estado Wenzel ".
Las gotas de líquido en superficies rugosas vienen en uno de dos estados:Cassie, en el que el líquido flota parcialmente sobre una capa de aire o gas, y Wenzel, en el que las gotas están en pleno contacto con la superficie, atrapándolos o inmovilizándolos. Los dos estados llevan el nombre de los físicos que los describieron por primera vez. Si bien la ecuación de Wenzel se publicó en 1936 en un artículo muy citado, Ha sido un gran desafío verificar la ecuación experimentalmente.
"Con cuidado, análisis sistemático, encontramos que la ecuación de Wenzel no se aplica a líquidos muy humectantes, "dijo Birgitt Boschitsch Stogin, estudiante de posgrado en el grupo de Wong y coautor de "Slippery Wenzel State, "publicado en la edición en línea de ACS Nano .
Esquema que muestra una nueva superficie diseñada que puede repeler líquidos en cualquier estado de humedad. Crédito:Xianming Dai, Chujun Zeng y Tak-Sing Wong
"Las gotas en superficies rugosas convencionales son móviles en el estado de Cassie y fijadas en el estado de Wenzel. El estado pegajoso de Wenzel da como resultado muchos problemas en la transferencia de calor por condensación, recolección de agua y remoción de hielo. Nuestra idea es resolver estos problemas permitiendo que las gotas de estado de Wenzel sean móviles, "dijo Xianming Dai, becario postdoctoral en el grupo de Wong y autor principal del artículo. En la ultima década, Se han dedicado enormes esfuerzos a diseñar superficies rugosas que eviten la transición de mojado de Cassie a Wenzel. Un avance conceptual clave en el estudio actual es que tanto las gotas de estado de Cassie como las de Wenzel pueden retener la movilidad en la superficie rugosa y resbaladiza. renunciando al difícil proceso de prevenir la transición de humectación.
Para hacer que las gotas de estado de Wenzel sean móviles, Los investigadores grabaron pilares a escala micrométrica en una superficie de silicio utilizando fotolitografía y grabado profundo de iones reactivos. y luego creó texturas a nanoescala en los pilares mediante grabado en húmedo. Luego infundieron las nanotexturas con una capa de lubricante que recubrió completamente las nanoestructuras, resultando en una fijación muy reducida de las gotitas. Las nanoestructuras también mejoraron en gran medida la retención de lubricante en comparación con la superficie microestructurada sola.
El mismo principio de diseño se puede extender fácilmente a otros materiales más allá del silicio, como los metales, vidrio, cerámicas y plásticos. Los autores creen que este trabajo abrirá la búsqueda de una nueva, modelo unificado de física de la humectación que explica los fenómenos de humectación en superficies rugosas.
