Si viaja en avión en los próximos meses, podría presenciar un ritual de aviación invernal en el que el hielo y la nieve se despejan de las alas con un líquido especial. Eso es necesario ya que pequeñas gotas de agua en el aire pueden congelarse en hielo en ciertoscondiciones climáticas al instalarse en las alas del avión. Eso, a su vez, puede conducir a un flujo de aire turbulento durante el despegue y, por lo tanto, a una elevación reducida, una situación potencialmente peligrosa. Incluso mejor que este procedimiento de descongelación, por supuesto, sería alasque no permiten que las gotas de hielo se peguen ni las repelen activamente. En un estudio ahora publicado en la revista científica Naturaleza , los investigadores de ETH Zurich ahora han demostrado que, en principio, es posible desarrollar materiales que sean literalmente alérgicos al hielo y al agua. Para hacerlo, primero le enseñaron a las pequeñas gotas de agua a trampolín.
Fuerzas misteriosas
El profesor de ETH Dimos Poulikakos y sus colaboradores en el Laboratorio de Termodinámica en Tecnologías Emergentes estudiaron el comportamiento de las gotas de agua en las superficies colocando una gota que mide un milímetro en una superficie de silicio rígido especialmente tratado y luego reduciendo continuamente la presión de aire en elcámara experimental, con una cámara de alta velocidad que filmaba la gotita. Al principio, la gota descansaba inmóvil en la superficie, pero alrededor de una vigésima parte de la presión atmosférica normal saltó repentinamente. Después de un pequeño salto, la gotita finalmente aterrizó nuevamente en la superficie,solo para saltar de nuevo, incluso más alto que la primera vez. Al igual que un atleta en un trampolín que salta más alto con cada rebote de la lámina elástica, la gota de agua se impulsó más alto después de cada contacto con la superficie, a pesar de que esa superficie estaba completamenterígido. Esto puede parecer mágico para el profano, pero el experto ve, sobre todo, lo que aparece como una violación de las leyes físicas fundamentales.Según el cual un cuerpo que cae sobre una superficie rígida no debería poder espontáneamente ganar energía motora que le permita recuperarse más alto.Aún así, la gota de trampolín parece hacer precisamente eso.
Gotas con propulsión de cohete
Para comprender de dónde proviene la fuerza que impulsa las gotas hacia arriba, Poulikakos y sus estudiantes postdoctorales Tom Schutzius y Stefan Jung realizaron un análisis detallado del movimiento de la gota y, usando una cámara termográfica, la distribución de temperatura dentro de ella.Los científicos, que en los últimos años ya han descifrado una serie de misterios relacionados con las gotas de agua, ahora han descubierto que la combinación de la evaporación natural del agua y la microestructura de la superficie del material son esenciales para el fenómeno del trampolín. La sobrepresión entre la gota y la superficie,resultante de la evaporación, lanza la gota hacia arriba en cada impacto, tal como lo haría un resorte.
Cuando una gota de agua que se enfría muy por debajo de cero grados centígrados o 'sobreenfriado' comienza a congelarse, la evaporación se ve reforzada por la llamada recalescencia. Este es un efecto bien conocido en el procesamiento de materiales, por ejemplo, en hierro templado que, a medida que se enfría, se calienta espontáneamente a un calor rojo por un corto tiempo. La razón de esto es el calor latente, que se libera a medida que el interior de la pieza de hierro se solidifica. Algo muy similar sucede dentro del aguagotita: a medida que el agua que se evapora en su superficie se enfría por debajo del punto de congelación, comienzan a formarse cristales de hielo. El calor liberado en esta fase de transición de líquido a sólido calienta rápidamente la gotita a cero grados ". Este calentamiento se produce en unos pocos milisegundos,"Schutzius explica," y como consecuencia da lugar a la evaporación explosiva. "Esto enfría la gota nuevamente, y el ciclo se repite. La evaporación explosiva produce una sobrepresión aún mayor entre la gota y la superficie y hace que to disparar como un cohete.
diseño de superficie inteligente
El quid de la cuestión, sin embargo, se encuentra en la superficie misma. Debe ser áspero para que la gota no se adhiera a él, pero por otro lado no debe ser demasiado áspero ya que de lo contrario el vapor de agua lo haríaescapar demasiado rápido a través de los poros y grietas de la superficie, y el efecto del cohete se desvanecería literalmente en el aire. Las superficies de silicio microestructuradas producidas por los investigadores de ETH cumplen exactamente estos requisitos: están hechas de una serie regular de pequeñas columnas solo unpocos micrómetros de ancho con un espacio de aproximadamente cinco micrómetros
"A partir de los resultados de nuestra investigación, podemos deducir qué cualidades deben tener las superficies en general para que repelen violentamente el agua y el hielo, y luego diseñarlos en consecuencia", dice Poulikakos. En sus experimentos, los científicos examinaron diferentes materiales, incluidosaluminio grabado y nanotubos de carbono. Para hacer que el mecanismo del trampolín sea aún más útil para aplicaciones del mundo real, primero habría que hacerlo funcionar a presión de aire normal. Poulikakos y sus colaboradores esperan avanzar en esta dirección en los próximos añosaños. Si esto se logra, se presentan una gran cantidad de aplicaciones, que van desde líneas eléctricas sin hielo hasta superficies de carreteras que repelen el agua y el hielo. Y, posiblemente, algún día el deshielo de las alas del avión ya no sea necesario.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :