El impacto de una gota en un material superhidrófugo elástico

Dibujo20160803 dynamic behavior of water droplet impact on rigid and elastic superhydrophobic surfaces srep30328-f1

En muchas aplicaciones se requiere minimizar el tiempo de contacto entre una gota y la superficie con la que impacta. Usar una superficie superhidrófuga ayuda, pero ¿se puede hacer mejor aún? Sí, el tiempo se reduce a la mitad si se usa una superficie superhidrófuga elástica en lugar de una rígida. Parece obvio, todo el mundo sabe lo que es una cama elástica para disfrutar saltando, pero no se ha comprobado hasta ahora usando cámaras de alta velocidad.

El artículo es Patricia B. Weisensee, Junjiao Tian, …, William P. King, “Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces,” Scientific Reports 6: 30328 (27 Jul 2016), doi: 10.1038/srep30328.

El tiempo de contacto en el impacto de un gota de agua en una superficie superhidróuga rígido depende del tamaño de la gota, siendo independiente de la velocidad de impacto. Para reducir el tiempo de contacto el nuevo artículo propone usar una superficie elástica. Los resultados experimentales demuestran que se puede llegar a un factor de dos.

Para reducir el tiempo de contacto hay que diseñar de forma adecuada las propiedades elásticas de la superficie superhidrófuga. Hay que buscar el equilibrio entre los dos mecanismos de transferencia de energía que dominan la dinámica tras el impacto. Por un lado la transferencia de energía cinética a energía superficial (la asociada a la tensión superficial que determina la forma de la gota) y por otro lado la transferencia de energía elástica de la superficie a energía cinética de la gota. Ambos procesos tienen una escala de tiempo característica. Ambas deben coincidir para minimizar el tiempo de contacto.

Dibujo20160803 Substrate response and droplet shapes after droplet impact srep30328-f3

Esta figura ilustra varios patrones para las oscilaciones del sustrato superhidrófugo durante el impacto de diferentes gotas. En la parte superior un material con una constante elástica de 107 N/m, que corresponde a una frecuencia natural de 325 Hz, para el impacto de una gota de diámetro 2,2 mm; tras el impacto el sustrato se pone a vibrar a su frecuencia natural, la gota se aplasta como un pastel y luego se recompone. En la parte media un material con constante elástica de 29,8 N/m y frecuencia natural de 112 Hz, para una gota de 2,1 mm de diámetro; el impacto es similar, pero más lento (dura más del doble). En la parte de abajo el sustrato tiene constante elástica 2,2 N/m y frecuencia natural de 11 Hz, para el impacto de una gota de 2,4 mm; el sustrato vibra a su frecuencia natural (11 Hz) y también a una frecuencia mayor (68 Hz).

En resumen, el impacto de una gota en un material superhidrófugo elástico es un proceso físico muy interesante, que además tiene aplicaciones prácticas potenciales. Reducir el tiempo de contacto de la gota tiene interés en sistemas térmicas que usen la condensación de gotas, en sistemas mecánicos que requieran líquidos anticongelantes, en sistemas aeronáuticos para minimizar el efecto de la lluvia sobre ciertas superficies críticas, etc.


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