Encienda una sartén y deje que se caliente hasta que esté muy por encima del punto de ebullición del agua. Luego espolvoree una cucharadita de agua sobre la sartén y observe. Las gotas de agua rebotarán, formarán esferas y correrán por la superficie.
Lo que acaba de observar es un ejemplo del efecto Leidenfrost, llamado así por Johann Gottlob Leidenfrost, un médico y científico alemán del siglo XVIII. El fenómeno ocurre cuando un líquido, al acercarse a un objeto que es mucho más caliente que el punto de ebullición del líquido, produce un vapor que aísla el líquido de la superficie del objeto.
Esta fuerza repulsiva, dicen los científicos, tiene dos consecuencias. Evita que las gotas del líquido entren en contacto físico con la superficie, haciendo que en cambio floten sobre la superficie. Y hace que las gotas hiervan más lentamente de lo que lo harían.una superficie con una temperatura más baja que todavía está por encima del punto de ebullición del líquido.
Investigadores en Hong Kong y en la Universidad de Lehigh demostraron recientemente que es posible explotar el efecto Leidenfrost para controlar la dirección y el destino de las gotas de líquido en una superficie y, por lo tanto, enfriarla de manera más eficiente. Lo lograron mediante el diseño litográfico de una superficie concaracterísticas de microescala que convierten el exceso de tensión superficial en una energía cinética que impulsa las gotas a "puntos calientes" en la superficie.
El descubrimiento, dicen Zuankai Wang de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y Manoj Chaudhury de Lehigh, tiene el potencial de mejorar las tecnologías que involucran microfluídica, transferencia de calor, intercambio de calor, intercambio de micro-calor, gestión del agua y gestión térmica.
"Muchas aplicaciones, como los reactores de centrales eléctricas, requieren la gestión y el control del movimiento de las gotas de agua a temperaturas muy altas", dice Wang, profesor asociado de ingeniería mecánica y biomédica en la Universidad de la Ciudad. "Por lo general, el enfriamiento deSe han logrado superficies extremadamente calientes con enfriamiento por pulverización. Se pulverizan muchas gotas de agua sobre una superficie y cuando hierven, eliminan el calor.
"Sin embargo, a una temperatura alta, esto no funciona porque el efecto Leidenfrost evita que las gotas entren en contacto con la superficie lo suficiente como para enfriarla. Por lo tanto, lleva mucho tiempo enfriar una superficie hirviendo agua".
Wang, Chaudhury y sus colegas informaron sus resultados hoy 1 de febrero en Física de la naturaleza , una revista de la revista Nature, en un artículo titulado "Transporte direccional de gotas de Janus a alta temperatura mediadas por topografía estructural". El autor principal del artículo es Jing Li, un candidato a doctorado en el departamento de ingeniería mecánica y biomédicaen la Universidad de la ciudad.
Topografías contrastantes
Los científicos en los últimos 20 años han aprendido a controlar el movimiento de las gotas de líquido en una superficie sólida al romper la simetría de humectación que resulta del impacto de una gota en una superficie. Lo han logrado mediante el aprovechamiento de los gradientes de energía superficial yutilizando luz, temperatura, fuerza eléctrica y vibración mecánica.
Chaudhury, el Profesor Distinguido Franklin J. Howes Jr. de Ingeniería Química y Biomolecular en Lehigh, por ejemplo, ha publicado artículos con sus estudiantes en Ciencias y Langmuir que describen sus esfuerzos exitosos para dirigir el movimiento de las gotas de agua en las superficies.
Pero los científicos aún no han logrado este control en superficies calentadas a temperaturas de Leidenfrost y superiores, o en superficies con puntos locales extremadamente calientes.
Hace dos años, a Wang se le ocurrió la idea de crear contrastes topográficos en una oblea de silicio al grabar la superficie de la oblea con micropilares y organizar los pilares en zonas que varían de acuerdo con la densidad de los pilares y el ángulo de contacto de los pilares conla superficie.
"El efecto Leidenfrost ha sido ampliamente estudiado para la reducción de la resistencia, mientras que la presencia de la capa de vapor no deseada también evita la transferencia de calor eficiente", dice Wang. "Por lo tanto, se nos ocurrió la idea de crear una superficie asimétrica para controlar el movimiento de las gotasa altas temperaturas "
en su Física de la naturaleza artículo, los investigadores informaron que sus experimentos, que se realizaron en Hong Kong, mostraron que el "control juicioso de la topografía estructural y el rango de temperatura de funcionamiento del sustrato sólido" sirvió para romper la simetría de humectación de las gotas.
El grupo también informó un "nuevo fenómeno físico en el que dos estados de humectación concurrentes - Leidenfrost y ebullición por contacto - pueden diseñarse en una sola gota [calentada] por encima de su punto de ebullición".
La gota, escribieron los investigadores Física de la naturaleza , "exhibe un estado térmico de contraste o Janus con un ángulo de contacto más bajo en la región de ebullición, pero un ángulo más alto en la región de Leidenfrost". Este contraste genera "un gradiente de curvatura y, por lo tanto, un gradiente de presión de Laplace."
"Como la disipación viscosa [de la gotita] es mínima", escribieron los investigadores, "el exceso de energía superficial resultante de la gotita se convierte en energía cinética, lo que naturalmente hace que se desprenda de la superficie y tome vuelo en el aire. La gotitafinalmente se deposita en la región de contacto de ebullición "
Un fenómeno similar en la naturaleza
Los investigadores comparan este fenómeno con la acción de una honda y observan que ocurre algo similar con un hongo filamentoso llamado Basidiomycota. Cada espora del hongo es en parte hidrófoba, con forma de película delgada y en parte hidrófila, con formacomo una esfera. Cuando las dos regiones hacen contacto, se unen, y la tensión entre las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas crea una fuerza que transporta toda la espora al aire.
"Este es un efecto químico que produce la naturaleza", dice Shuhuai Yao, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. "En el punto de fusión, existe una asimetría pero el deseo dela simetría provoca un estado transitorio y genera una fuerza que impulsa la espora ".
Las topografías contrastantes de los micropilares en la oblea de silicio de Wang crean un fenómeno similar. A altas temperaturas, como una parte de la gota está hirviendo y otra no, se crea una asimetría. Pero al igual que con Basidiomycota, lo naturalLa tendencia hacia la simetría crea el efecto tirachinas que impulsa la gota.
Sin embargo, hay una diferencia crítica entre los dos fenómenos, dicen los investigadores. Si bien la naturaleza no hace ningún esfuerzo para guiar una espora, sino simplemente para liberarla, una gota en una superficie bioinspirada puede dirigirse a un lugar específicoe hizo aterrizar en un punto caliente y hervir.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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