El choque de gotas contra superficies repelentes al agua se estudia desde hace más de un siglo por su papel en la naturaleza y la tecnología: desde la autolimpieza hasta el intercambio de calor. Para fluidos newtonianos, un rebote completo sin salpicaduras solo es posible a velocidades moderadas, mientras que a impactos rápidos la gota se fragmenta en gotas satélite. La adición de polímeros hace que el fluido sea viscoelástico, pero hasta ahora se creía que esto suprimía el rebote. Este trabajo se sitúa al margen: junto a investigaciones sobre gotas en vidrio, lluvia que libera microplásticos y partículas blandas en turbulencia, pero nadie había conectado la elasticidad con el rebote completo en una superficie superhidrofóbica a altas velocidades.
Gotas de una solución acuosa de poliacrilamida (PAA) de 2,5 mm de diámetro cayeron sobre una superficie superhidrofóbica Glaco de nanopartículas de sílice a velocidades de 0,23 a 3,4 m/s. La concentración de polímero varió de 0,025 a 1% en masa, lo que dio tiempos de relajación de 0,6 ms a 7 s. El proceso se filmó con dos cámaras de alta velocidad (hasta 4900 fotogramas/s) desde un lado y desde abajo. Para comprender la mecánica, se realizó una simulación numérica axisimétrica en Basilisk C con el modelo L-PTT para tensiones poliméricas, utilizando ángulos de contacto dinámicos medidos.
A números de Weber superiores a 136, el agua se salpica, mientras que las gotas viscoelásticas con concentraciones de polímero de 0,1% o más forman un filamento vertical (ligamento) que se estira, crea un «globo» en el extremo y se desprende por completo de la superficie. El rebote ocurre sin una sola gota secundaria. El ángulo de contacto dinámico durante el desprendimiento del filamento cae de 140° a 60°, lo que indica una transición del estado de Cassie-Baxter al estado de Wenzel: el líquido penetra en las microgrietas de la superficie. La simulación numérica confirmó que el pico de presión en el impacto es decenas de veces mayor que la presión durante la formación del chorro de Worthington, por lo que la impregnación ocurre precisamente en el momento del contacto. La longitud máxima del filamento crece linealmente con el número de Weber, y la trayectoria del centro de masa de la gota se describe con un modelo balístico: las fuerzas disipativas son un orden de magnitud menores que la gravedad.
Este trabajo muestra por primera vez que los aditivos poliméricos no interfieren, sino que favorecen el rebote completo a altas velocidades de impacto, siempre que la superficie tenga microestructura. Esto difiere de investigaciones cercanas donde la elasticidad solía suprimir el rebote o solo se consideraban gotas newtonianas. Aquí lo clave no fue simplemente el rebote, sino la formación y el desprendimiento del filamento, controlado por la impregnación de la superficie. Esto cambia la comprensión de cómo la viscoelasticidad interactúa con la superhidrofobicidad.
El tema podría avanzar hacia el estudio detallado del papel de la microestructura de la superficie: tamaño de poro, forma y distribución. Es importante entender cómo controlar la longitud y el tiempo de desprendimiento del filamento mediante la reología del fluido y la mojabilidad. Quizás aparezcan superficies que repelan fluidos complejos sin pérdida de masa bajo cargas extremas.
Los resultados serán útiles en impresión por chorro, aplicación de pesticidas y enfriamiento de superficies calientes, donde es crucial evitar salpicaduras y pérdida de líquido.
El siguiente paso es medir sistemáticamente el umbral de transición al modo globo en función de la rugosidad y la mojabilidad de la superficie, así como probar otros polímeros.
Para la hidrodinámica de gotas, sigue abierta la cuestión de predecir las condiciones en las que un filamento viscoelástico no se rompe antes del desprendimiento. Este trabajo muestra que la clave está en el equilibrio entre tensiones elásticas y presión capilar, pero aún no existe un criterio universal.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
En este trabajo se estudió la colisión de gotas de una solución acuosa de poliacrilamida con una superficie superhidrofóbica Glaco a altas velocidades. Los experimentos y la simulación numérica mostraron que, para números de Weber superiores a 136, la gota forma un hilo vertical que se estira, genera un 'globo' y se desprende por completo de la superficie sin producir gotas secundarias. El mecanismo clave resultó ser la impregnación de las microgrietas de la superficie en el momento del impacto, lo que refuerza la adhesión y desencadena el crecimiento del hilo; la elasticidad del polímero evita su ruptura.
Dónde está su fuerza
Este trabajo demuestra por primera vez que los aditivos poliméricos, a altas velocidades de impacto, no suprimen sino que favorecen el rebote completo si la superficie está microestructurada. La combinación de la viscoelasticidad con la impregnación de la superficie y la formación de un hilo estable ofrece un nuevo mecanismo para controlar el rebote de fluidos complejos.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.56, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
La presión en el impacto de una gota contra una superficie es comparable a la presión del agua a varios metros de profundidad, pero actúa solo durante unos microsegundos.