Cómo convergen las gotas en una naturaleza resbaladiza

Dec 28, 2023

Una superficie que repele completamente fluidos, como agua, sangre o aceite, es una búsqueda de larga data en ingeniería y ciencia de materiales. Un material de este tipo se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde la recolección de agua hasta el procesamiento de alimentos y las tecnologías biomédicas. Incluso cuando los investigadores han avanzado en el desarrollo de materiales con estas capacidades, no está claro cómo se comportan exactamente los fluidos en tales superficies. En un artículo reciente en Nature Communications, los investigadores describen por primera vez cómo las gotas de agua se fusionan en la superficie de una superficie impregnada de petróleo.

Hace más de una década, grupos de investigación de Estados Unidos y Francia propusieron de forma independiente un nuevo enfoque para diseñar una superficie repelente de fluidos, inspirado en un mecanismo que se encuentra en la naturaleza. Su idea era añadir estructuras microscópicas a la superficie de un sustrato y cubrir todo con aceite. La textura porosa mantiene el aceite en su lugar con fuerzas capilares, y las gotas de agua u otros fluidos podrían deslizarse fuera de la superficie libre de defectos sin pegarse. "Se dice que tienen muchas propiedades muy prometedoras", dice Haobo Xu, ahora estudiante de posgrado en ciencias de materiales en la Universidad de Cornell y primer autor del estudio. Pero al mismo tiempo, afirma, la física del comportamiento de las gotas en estas superficies resbaladizas no se ha estudiado en profundidad. El artículo reciente, de investigadores de la Universidad de Michigan en Ann Arbor y la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, explica cómo convergen exactamente las gotas. Descubrieron que cuando las gotas se forman muy juntas, pero sin llegar a tocarse, forman una cresta humectante, hecha de aceite, en el medio. Esa cresta facilita la atracción entre las gotas, uniéndolas para fusionarse.

"Nuestro trabajo muestra cómo se fusionan dos gotas", dice Yimin Zhou, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Transporte de Energía (ETL) de Michigan, dirigido por el ingeniero mecánico Solomon Adera. En particular, dice, el grupo descubrió que las gotas se combinan más lentamente en la superficie diseñada recubierta de aceite que en otros materiales hidrofóbicos, pero se escapan más rápido. "La superficie lubricada puede mejorar la tasa de condensación", añade Zhou.

Esa propiedad, afirma, convierte al material en un candidato atractivo para aplicaciones que implican condensación o recolección de agua. En una central eléctrica impulsada por vapor, por ejemplo, el agua hirviendo produce vapor, y el vapor hace girar una turbina que genera electricidad. El vapor se recoge, se condensa y se devuelve al estado líquido. Si se utilizara el nuevo material en el condensador, dice, la planta podría recolectar más rápidamente el agua usada, quizás haciendo que el sistema fuera más eficiente. El material también podría usarse en dispositivos que recolectan agua del aire, "especialmente en áreas secas sin mucha agua potable", dice Zhou. Los materiales con infusión de aceite también serían útiles en el procesamiento y almacenamiento de alimentos, porque evitan que el material (incluidos los gérmenes) se adhiera a los lados de un recipiente.

Las primeras superficies impregnadas de aceite aparecieron en un artículo de 2005 del físico francés David Quéré. En 2011, un grupo del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard desarrolló un material inspirado en cómo las plantas carnívoras capturan a sus presas. La planta secreta una sustancia resbaladiza que recubre la trampa y el desafortunado insecto se desliza hacia los jugos digestivos al pie de la jarra. Llamaron a su diseño SLIPS, por superficies porosas resbaladizas con infusión de líquido. El otro grupo describió su diseño, que de manera similar utilizaba pequeñas cavidades en la superficie para atrapar el petróleo. En ambos casos, las gotas se deslizaron sin esfuerzo sin atraparse.

Patricia Weisensee, ingeniera mecánica de la Universidad de Washington en St. Louis, dirige un grupo de investigación de fluidos térmicos que ha estado investigando estos materiales. Su grupo y otros han demostrado cómo las gotas pueden deslizarse por una superficie impregnada de aceite. “Durante la condensación, incluso las gotas microscópicas se atraen entre sí y crean un movimiento muy fuerte en la superficie”, explica.

Los investigadores de Michigan querían saber más sobre el proceso, por lo que crearon su material fabricando primero una serie de diminutos pilares de silicio, cada uno de menos de 10 micrómetros de ancho y menos de 30 micrómetros de alto, sobre un sustrato. Cubrieron la superficie con una fina capa de aceite de silicona. Luego, colocaron dos gotas, cada una de aproximadamente un milímetro de diámetro, a una distancia de aproximadamente 2,8 milímetros, y comenzaron a filmar. Los investigadores observaron que el petróleo formaba una cresta humectante alrededor de cada gota en el punto de contacto, y entre las dos gotas, la cresta humectante se elevaba más.

La cresta de humectación, una característica que no se encuentra en superficies hidrofóbicas no lubricadas, facilitó el comportamiento de las gotas. Los investigadores observaron tres etapas. Primero fue la atracción, cuando las gotas se acercaron unas a otras. En segundo lugar, el aceite de la cresta humectante se escurrió y, en tercer lugar, las dos gotas se fusionaron por completo. Todo el proceso finalizó en poco menos de 30 segundos.

El tiempo importa, dice Weisensee. “En la transferencia de calor, lo importante es evitar que el fluido condensado forme una película, que actúa como resistencia térmica”, afirma. Debido a que las gotas se deslizan tan fácilmente sobre superficies impregnadas de aceite, señala Weisensee, pueden limpiar fácilmente la superficie y prevenir inundaciones perjudiciales. Esto es importante no sólo para la condensación de agua, sino también para fluidos como el etanol o el hexano.

Zhou dice que los investigadores de ETL ven otras oportunidades para explorar el comportamiento de las gotas, incluido cómo las fusiones de gotas afectan las características a largo plazo del material. "Cuando las gotas crecen hasta alcanzar un tamaño determinado, caen, y cuando caen, se llevan el petróleo consigo", dice. Sin una buena comprensión de ese drenaje, que podría contaminar el agua o reducir la eficiencia del material, el material no es adecuado para aplicaciones industriales a gran escala. Si pueden entender cómo afecta la coalescencia al petróleo, "podremos caracterizar qué tan duradera es la superficie", dice Zhou. "Si se agota una gran cantidad de petróleo, la superficie se vuelve inútil".