Los estudios sobre el impacto de una gota en las superficies sólidas se remontan a más de un siglo. Y hasta ahora, generalmente se creía que el impacto de una gota en una superficie sólida siempre se podía separar en dos fases: propagación y retracción.
Pero es mucho más complejo que eso, como un equipo de investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, la Universidad de Ariel en Israel y la Universidad de Tecnología de Dalian en China informan en la revista letras de física aplicada , de AIP Publishing.
"Durante la fase de propagación, la gota experimenta una aceleración dominante de inercia y se extiende en forma de 'panqueque'", explicó Zuankai Wang, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Biomédica de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong ".Y durante la fase de retracción, la caída minimiza su energía superficial y se retrae hacia adentro ".
Notablemente, en las superficies superhidrofóbicas estándar de oro, también conocido como repelente, como las hojas de loto, las gotas saltan al final de la etapa de retracción debido a la mínima disipación de energía durante el proceso de impacto. Esto se atribuye a la presencia de un aireamortiguación dentro de la superficie rugosa.
Sin embargo, existe un límite clásico en términos del tiempo de contacto entre las gotas y los materiales superhidrofóbicos estándar de oro inspirados en las hojas de loto.
Como el equipo informó anteriormente en la revista Nature Physics, es posible dar forma a la gota para que rebote desde la superficie en forma de panqueque directamente al final de la etapa de expansión sin pasar por el proceso de retroceso. Como resultado, la gota puedeser arrojado mucho más rápido.
"Curiosamente, el tiempo de contacto es constante bajo un amplio rango de velocidades de impacto", dijo Wang. "En otras palabras: la reducción del tiempo de contacto es muy eficiente y robusta, por lo que la superficie nueva se comporta como un resorte elástico. Pero lo realla magia yace dentro de la textura de la superficie ".
Para evitar que el colchón de aire se derrumbe o que el agua penetre en la superficie, la sabiduría convencional sugiere el uso de postes a nanoescala con pequeños espacios entre postes. "Cuanto más pequeños sean los espacios entre postes, mayor será la velocidad de impacto de los pequeñosel poste puede resistir ", explicó." Por el contrario, diseñar una superficie con macroestructuras conjuntos de postes cónicos submilimétricos con un amplio espacio significa que una gota se desprenderá de ella mucho más rápido que cualquier material previamente diseñado ".
Qué muestran los nuevos resultados
A pesar del progreso emocionante, controlando racionalmente el tiempo de contacto y prediciendo cuantitativamente el número crítico de Weber, un número utilizado en la mecánica de fluidos para describir la relación entre las fuerzas inerciales deformantes y las fuerzas cohesivas estabilizadoras para los líquidos que fluyen a través de un medio fluido, para el casode panqueque rebotando se mantuvo esquivo.
Por lo tanto, el equipo demostró experimentalmente que el rebote de la caída está intrincadamente influenciado por la morfología de la superficie ". Bajo el mismo espacio entre postes de centro a centro, las superficies con un ángulo de vértice más grande pueden dar lugar a más rebote de panqueques, que se caracteriza porreducción significativa del tiempo de contacto, menor número crítico de Weber y un rango más amplio de números de Weber ", según los coautores Gene Whyman y Edward Bormashenko, ambos profesores de la Universidad de Ariel.
Wang y sus colegas desarrollaron modelos de resortes armónicos simples para revelar teóricamente la dependencia de las escalas de tiempo asociadas con la caída de impacto y el número crítico de Weber para el rebote de panqueques en la morfología de la superficie ". Las ideas obtenidas de este trabajo nos permitirán racionalmentediseñar varias superficies para muchas aplicaciones prácticas ", agregó.
Las nuevas superficies del equipo presentan un tiempo de contacto más corto que previene o ralentiza la formación de hielo ". La formación de hielo y su posterior acumulación dificultan el funcionamiento de las infraestructuras modernas, incluidos aviones, plataformas petroleras en alta mar, sistemas de aire acondicionado, turbinas eólicas, líneas eléctricas, etc.y equipos de telecomunicaciones ", dijo Wang.
A temperaturas sobreenfriadas, lo que implica reducir la temperatura de un líquido o gas por debajo de su punto de congelación sin que se solidifique, cuanto más tiempo permanezca una gota en contacto con una superficie antes de rebotar, mayores serán las posibilidades de que se congele en el lugar ".Se puede usar una nueva estructura de superficie para ayudar a evitar que las alas de los aviones y los motores se congelen ", dijo.
Esto es muy deseable, porque se sabe que una capa muy ligera de nieve o hielo, lo suficientemente ligera como para ser apenas visible reduce el rendimiento de los aviones e incluso causa accidentes. Uno de esos desastres ocurrió en 2009 y llamó la atención sobrelos peligros de la formación de hielo en vuelo después de que causó que el vuelo 447 de Air France que volaba de Río de Janeiro a París se estrellara en el Océano Atlántico.
Más allá del anticongelante para aeronaves, "los álabes de las turbinas en centrales eléctricas y parques eólicos también pueden beneficiarse de una superficie anticongelante al aumentar la eficiencia", agregó.
Como puede imaginar, este tipo de superficie inspirada en la naturaleza también muestra el potencial para una amplia gama de otras aplicaciones, desde la separación de agua y aceite hasta la prevención de la transmisión de enfermedades.
¿El siguiente paso para el equipo? "Desarrollar materiales 'activos' bioinspirados que sean adaptables a sus entornos y capaces de autocuración", dijo Wang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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