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2022-01-18Controlar cómo interactúan las superficies y los líquidos de la -pareja dispareja-

MIT |¿Distribuir o formar cuentas? Un nuevo proceso permite controlar las interfaces líquido-sólido incluso con los pares de materiales más improbables.

La humectabilidad de una superficie, ya sean gotas de agua u otro líquido que se acumulan o se esparcen cuando entran en contacto con ella, es un factor crucial en una amplia variedad de aplicaciones comerciales e industriales, como la eficiencia con la que funcionan las calderas y los condensadores en la energía. plantas o cómo los tubos de calor canalizan el calor en los procesos industriales. Esta característica se ha visto durante mucho tiempo como una propiedad fija de un par determinado de materiales líquidos y sólidos, pero ahora los investigadores del MIT han desarrollado una forma de hacer que incluso los pares de materiales más improbables adquieran el nivel deseado de humectabilidad.

El nuevo proceso se describe esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , en un artículo de los posdoctorados del MIT Kyle Wilke, Zhengmao Lu y Youngsop Song y la profesora de ingeniería mecánica Evelyn Wang.

La humectabilidad generalmente está estrechamente relacionada con las propiedades de tensión superficial de un líquido: cuanto mayor sea la tensión superficial, más probable es que el líquido forme gotas en una superficie en lugar de esparcirse para humedecer la superficie. Mercurio tiene una tensión superficial excepcionalmente alta y, por lo tanto, se considera altamente no humectante, por lo que el equipo eligió este líquido notoriamente difícil para una de sus demostraciones. Pudieron producir una superficie, hecha de un material típicamente no humectante, que hizo que el mercurio se esparciera a través de ella sin una reacción química, algo nunca antes demostrado.

Dos gifs uno al lado del otro que muestran una gota de mercurio que cae sobre una superficie desde un cuentagotas.  La gota de la izquierda forma gotas y la gota de la derecha se extiende.


Mercurio depositado en una superficie plana ordinaria forma gotas y se asienta sobre la superficie, como se ve aquí a la izquierda. En superficies especialmente tratadas con aberturas de reentrada prellenadas con líquido (a la derecha), una gota de mercurio se esparce, humedeciendo la superficie.


El nuevo método se basa en texturizar la superficie, independientemente de su composición, con muescas estrechamente espaciadas que tienen "aberturas de reentrada", es decir, la abertura en la parte superior es más angosta que el resto de la cavidad, como un frasco con un estrecho boca. Esta superficie texturizada se trata previamente con un líquido que llena todas estas cavidades, dejando áreas expuestas de líquido en estas aberturas a lo largo de la superficie, lo que altera las propiedades de la superficie. Cuando se agrega otro líquido, que dependiendo de la aplicación puede ser igual o diferente al precargado en la superficie, su respuesta a la superficie cambia de no humectante a humectante.

Las superficies que tienen una alta humectabilidad por agua se conocen como hidrofílicas, y aquellas que no son humectables por agua se conocen como hidrofóbicas. Mojabilidad o no mojabilidad es el término genérico para dicho comportamiento, independientemente del líquido particular involucrado.

Si bien las superficies reentrantes se han demostrado antes para otros fines, este trabajo es el primero en demostrar que se pueden usar para alterar la superficie para producir "regímenes de humectación que no se han demostrado antes", dice Wang, profesor de ingeniería de Ford. y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Los hallazgos son tan nuevos que puede haber muchas aplicaciones del mundo real en las que el equipo aún no ha pensado, dice Wilke: "Eso es algo que estamos muy emocionados de comenzar a explorar", dice. Pero es probable que la gestión térmica en varios procesos industriales se encuentre entre los primeros usos prácticos. La forma en que el agua u otro fluido de trabajo se esparce, o no se esparce, a través de las superficies del condensador puede tener una gran influencia en la eficiencia de muchos procesos que involucran evaporación y condensación, incluidas las plantas de energía eléctrica y las plantas de procesamiento químico.

“Ahora tomamos una superficie no humectante y la hicimos humectante”, dice Wilke. "La gente ha hecho previamente el caso opuesto, de tomar algo que se humedece y convertirlo en no humectante". Por lo tanto, este nuevo trabajo abre la puerta a poder ejercer un control casi total de la humectabilidad para diferentes combinaciones de materiales de superficie y líquidos.

“Ahora podemos crear superficies que tienen las combinaciones de humectabilidad más concebibles”, dice Wilke. "Creo que esto definitivamente puede abrir algunas aplicaciones realmente interesantes que estamos buscando explorar".

Un área prometedora es la de los revestimientos protectores. Muchos materiales utilizados para proteger las superficies de los productos químicos agresivos son compuestos fluorados que no se humedecen, lo que puede hacerlos inadecuados para muchas aplicaciones. Hacer que esas superficies se humedezcan podría abrir muchos nuevos usos potenciales para tales recubrimientos.

Los tubos de calor de alta temperatura, que se utilizan para conducir el calor de un lugar a otro, por ejemplo, para enfriar maquinaria o dispositivos electrónicos, son otra aplicación prometedora. “Muchos de esos fluidos de trabajo son metales líquidos, y se sabe que tienen una tensión superficial muy alta”, dice Lu. Eso limita drásticamente la elección de tales fluidos, y este nuevo enfoque podría abrir posibles opciones de materiales.

Si bien las hendiduras superficiales complejas para esta investigación se fabricaron mediante procesos de fabricación de semiconductores, el equipo está explorando otras formas de lograr el mismo tipo de texturizado mediante la impresión 3D o algún otro proceso que podría ampliarse más fácilmente para aplicaciones del mundo real.

El equipo también está explorando variaciones en los tamaños y formas de estas aberturas de reentrada. Por ejemplo, dice Lu, si bien es el área superficial y el espaciado de estas aberturas lo que determina principalmente su comportamiento de humectabilidad, su profundidad puede influir en la estabilidad de este comportamiento, porque los agujeros más profundos son más resistentes a la evaporación que podría socavar las mejoras de humectabilidad. “La distancia al fondo del canal es una dimensión crítica que puede afectar el comportamiento de humectación”, dice. Esas variaciones se están explorando en el trabajo de seguimiento.

Al usar mercurio, dice Lu, el equipo "escogió nuestro conjunto de geometría en función de este caso más difícil" y aun así pudo demostrar una alta humectabilidad. "Entonces, para combinaciones menos difíciles, tiene más flexibilidad para elegir geometrías probablemente más fáciles de hacer".

"Probablemente haya muchas industrias que se beneficiarán", dice Wang, "ya sea una industria de procesamiento químico o una industria de tratamiento de agua o una industria de productos térmicos". Uno de los próximos pasos que tomará el equipo, dice, es "hablar con estas diversas industrias para identificar dónde está la oportunidad a corto plazo".

El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de sistemas a nanoescala, por el Programa Cooperativo del MIT y el Instituto Masdar, y por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

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