Em muitos processos industriais, como em biorreatores que produzem combustíveis ou produtos farmacêuticos, a espuma pode atrapalhar. Bolhas espumosas podem ocupar muito espaço, limitar o volume disponível para fazer o produto e às vezes entupir canos e válvulas ou danificar células vivas. As empresas gastam cerca de US $ 3 bilhões por ano em aditivos químicos chamados antiespumantes, mas isso pode afetar a pureza do produto e exigir etapas extras de processamento para sua remoção.

Agora, pesquisadores do MIT criaram um método simples, barato, e sistema completamente passivo para reduzir ou eliminar o acúmulo de espuma, usando folhas de malha especialmente texturizada que atraem bolhas que fazem as bolhas colapsarem tão rápido quanto se formam. O novo processo está descrito no jornal Interfaces de materiais avançados , em um artigo do recém-graduado Leonid Rapoport Ph.D. '18, estudante visitante Theo Emmerich, e professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.

O novo sistema usa superfícies que os pesquisadores chamam de "aerofílicas, "que atraem e liberam bolhas de ar ou gás da mesma forma que as superfícies hidrofílicas (que atraem água) fazem com que as gotas de água se agarrem a uma superfície, espalhar, e cair, Varanasi explica.

"As espumas estão por toda parte" nos processos industriais, ele diz, incluindo a fabricação de cerveja, fabricação de papel, produção e processamento de petróleo e gás, geração de biocombustíveis, produção de shampoo e cosméticos, e processamento químico.

Também, “É um dos principais desafios em cultura de células ou em biorreatores, "acrescenta. Para promover o crescimento celular, vários gases são normalmente difundidos através da água ou outro meio líquido. Mas isso pode levar ao acúmulo de espuma, e conforme as pequenas bolhas estouram, elas podem produzir forças de cisalhamento que podem danificar ou matar as células, portanto, controlar a espuma é essencial.

A maneira usual de lidar com o problema da espuma é adicionando produtos químicos como glicóis ou álcoois, que normalmente precisa ser filtrado novamente. Mas isso adiciona custo e etapas extras de processamento, e pode afetar a química do produto. Então, a equipe perguntou, "Como você pode se livrar das espumas sem ter que adicionar produtos químicos? Esse foi o nosso desafio, "Varanasi diz.

Para resolver o problema, eles criaram vídeo de alta velocidade para estudar como as bolhas reagem quando atingem uma superfície. Eles descobriram que as bolhas tendem a ricochetear como uma bola de borracha, saltando várias vezes antes de finalmente aderir ao lugar, assim como as gotas de líquido quando atingem a superfície, apenas de cabeça para baixo. (As bolhas estão subindo, então eles saltam para baixo.)

"Para capturar com eficácia a bolha impactante, tivemos que entender como o filme líquido que o separa da superfície drena, "diz Rapoport." E tivemos que começar da estaca zero, porque não havia nem mesmo uma métrica estabelecida para medir o quão boa é uma superfície na captura de bolhas impactantes. Em última análise, conseguimos entender a física por trás do que faz com que uma bolha salte, e essa compreensão impulsionou o processo de design. "

A equipe criou um dispositivo plano que possui um conjunto de texturas de superfície cuidadosamente projetadas em uma variedade de escalas de tamanho. A superfície foi ajustada para que as bolhas aderissem imediatamente, sem quicar, e rapidamente se espalhou e se dissipou para abrir caminho para a próxima bolha em vez de se acumular como espuma.

"A chave para capturar bolhas rapidamente e controlar a espuma acabou sendo um sistema de três camadas com recursos de tamanhos progressivamente mais finos, "diz Emmerich. Esses recursos ajudam a reter uma camada muito fina de ar ao longo da superfície de um material. Essa superfície, conhecido como plastrão, tem semelhanças com a textura de algumas penas em pássaros mergulhadores que ajudam a manter os animais secos debaixo d'água. Nesse caso, o plastrão ajuda a fazer com que as bolhas grudem na superfície e se dissipem.

O efeito líquido é reduzir cem vezes o tempo que uma bolha leva para aderir à superfície, Varanasi diz. Em testes, o tempo de salto foi reduzido de centenas de milissegundos para apenas alguns milissegundos.

Para testar a ideia no laboratório, a equipe construiu um dispositivo contendo uma superfície de captura de bolhas e inseriu em um béquer que tinha bolhas subindo através dele. Eles colocaram aquele béquer próximo a um idêntico contendo espuma de espuma com uma folha do mesmo tamanho, mas sem o material texturizado. No copo com a superfície de captura de bolhas, a espuma rapidamente se dissipou até quase nada, enquanto uma camada completa de espuma permaneceu no lugar no outro copo.

Essas superfícies de captura de bolhas podem ser facilmente adaptadas a muitas instalações de processamento industrial que atualmente dependem de produtos químicos anti-espumantes, Varanasi diz. Ele especulou que, a longo prazo, tal método pode até ser usado como uma forma de capturar o metano que vaza do derretimento do permafrost à medida que o mundo aquece. Isso poderia evitar que algum daquele potente gás de efeito estufa chegue à atmosfera, e ao mesmo tempo fornecer uma fonte de combustível. Neste ponto, essa possibilidade é "torta no céu, " ele diz, mas, em princípio, poderia funcionar.

Ao contrário de muitos novos desenvolvimentos de tecnologia, este sistema é simples o suficiente para ser prontamente implementado, Varanasi diz. "Está pronto para começar. ... Estamos ansiosos para trabalhar com a indústria."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.