Un trampolín para gotas de agua controlado por la presión ambiental

Dibujo20151105 Droplet trampolining on a rigid surface nature15738-f1

Imagina una gota de agua sobre un material superhidrófugo. ¿Qué pasará si reduces la presión ambiental? La gota empezará a oscilar sobre la superficie, como si ésta fuera un trampolín. De hecho, en algunos casos, la altura de cada rebote de la gota crece como ocurriría en un trampolín. Un curioso fenómeno que ilustra muy bien el vídeo que tienes más abajo.

¿Por qué la gota se pone espontáneamente a rebotar sobre la superficie? La superficie superhidrófuga está recubierta de pilares micrométricos. Entre estos pilares hay una capa de aire que está encerrada cierta presión. La reducción de la presión ambiental combinada con la evaporación de la gota, permite que escape parte de este aire en la región de pilares que rodea la gota. Este escape de aire a mayor presión genera una fuerza hacia arriba sobre la gota. Cuando la gota cae el proceso se repite si la presión ambiental sigue disminuyendo, provocando un rebote periódico de amplitud creciente similar al de un trampolín.

El artículo es Thomas M. Schutzius et al., “Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces,” Nature 527: 82–85 (05 Nov 2015), doi: 10.1038/nature15738; más información divulgativa en Doris Vollmer, Hans-Jürgen Butt, “Materials science: Droplets leap into action,” Nature 527: 41–42 (05 Nov 2015), doi: 10.1038/527041a.

Las superficies superhidrófugas son realmente fascinantes. Su energía interfacial (la energía superficial asociada a los enlaces intermoleculares entre los pilares y el líquido) induce una adhesión de las gotas extremadamente baja. Como la energía de adhesión es muy pequeña fenómenos como la evaporación y la salida de aire retenido entre los pilares son suficientes para inducir una fuerza hacia arriba en la gota. Inicialmente se pone en vibrar sin elevarse sobre la superficie. Pero conforme estas fuerzas aumentan acaban saliendo disparada hacia arriba, hasta que la gravedad la hace caer.

Dibujo20151105 Schematic idealizing the droplet trampolining phenomenon as a hybrid MSD projectile system nature15738-sf1

Los autores, afiliados al ETH de Zurich, Suiza, han desarrollado un modelo mecánico sencillo para el comportamiento de la gota (remito al artículo a los interesados en los detalles). Además, han desarrollado algoritmo de control de la presión ambiental que permite controlar el rebote de la gotita de agua (tiene un radio de R0 ≈ 0, 1 cm = 1 mm). La superficie superhidrófuga usada tiene micropilares con un diámetro de 1,4 μm, una separación de 6,5 μm y una altura de 4,8 μm. La presión ambiental se reduce o se incrementa a un ritmo de 0,1 bar/s; la presión mínima alcanzable es de 0,01 bar.

Dibujo20151105 Schematic showing the environmental chamber used throughout the study nature15738-sf8

Lo más curioso de este estudio es que ilustra que experimentos muy simples pueden dar resultados espectaculares. La aplicación de presión negativa a un sistema es la forma más común para incrementar la tasa de evaporación y se usa mucho en los laboratorios químicos y técnicos. ¿Por qué nadie ha observado estos fenómenos con anterioridad? A veces, lo más sorprendente es que, sabiendo cómo lograrlo, casi cualquiera puede repetirlo en su laboratorio.

3 comentarios

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Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Enrique, tienes razón, lo primero que viene a la cabeza es el efecto Leidenfrost. Según los autores del artículo, las semejanzas con el efecto Leidenfrost son que ambos involucran la evaporación de la gota y un exceso de presión causado por la capa de aire que hay bajo la gota. Pero la diferencia es que en el efecto Leidenfrost la anchura de esta capa de aire viene dada por el equilibrio entre el peso de la gota y las fuerzas de presión, mientras que en el nuevo trabajo viene determinado por la geometría de la superficie superhidrófuga (la altura de los micropilares que la forman). Según los autores no se puede afirmar que el nuevo fenómeno sea debido al efecto Leidenfrost.

Víctor Víctor

Hola Francisc,

Leo ” la altura de cada rebote de la gota crece como ocurriría en un trampolín”. Para que esto fuera así, entiendo que o bien el material sobre cuya superficie la gota rebota le proporciona energía en grado creciente, o es la gota la que transforma parte de su energía (¿?) en movimiento elástico.

En el símil del trampolín, es el saltador el que con el movimiento de sus brazos y piernas transforma su energía en movimiento elástico.

Saludos

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