p Gotas em colisão são onipresentes em tecnologias cotidianas, como motores de combustão e sprays, e em processos naturais como gotas de chuva e na formação de nuvens. Os resultados da colisão dependem da velocidade do impacto, grau de alinhamento, propriedades intrínsecas da tensão superficial e uma superfície pouco umectante. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Olinka Ramírez-Soto e uma equipe de cientistas em pesquisa de polímeros, dinâmica de fluidos, engenharia química e de materiais na Alemanha, A Holanda e os EUA investigaram a dinâmica de uma gota de óleo impactando uma gota séssil idêntica em uma superfície superfifóbica. Uma superfície superanfifóbica é análoga à super-hidrofobicidade (repelência à água), embora possa repelir líquidos polares e apolares. Usando simulações numéricas, a equipe recriou cenários de rebote para quantificar os perfis de velocidade, transferência de energia e dissipação viscosa na configuração experimental. Este trabalho mostrou a influência da velocidade de impacto na dinâmica de rebote para colisões gota-a-gota de óleo em superfícies superanfifóbicas. p Investigando o impacto gota a gota

p Quando uma gota de líquido atinge uma gota séssil de um líquido idêntico, a expectativa intuitiva é que ambas as gotas se aglutinem ou se combinem. Este processo é comum com chuva e gotas de uma torneira com vazamento, mas às vezes uma fina camada de ar entre duas gotas pode permitir que as gotas de água reflitam perfeitamente em superfícies hidrofílicas (que gostam de água). Nos anos 1800, O cientista e engenheiro Osborn Reynolds registrou e creditou o movimento de deslizamento das gotas de água em uma piscina a esse fenômeno. Uma camada de vapor é igualmente responsável pelo efeito Leidenfrost, onde uma gota paira sobre uma superfície superaquecida.

p Apesar da caracterização experimental da dinâmica do impacto, faltam métodos para modelar quantitativamente os campos de velocidade e transferência de energia. Os estudos sobre o impacto gota a gota em superfícies superanfifóbicas são atualmente dificultados por um número limitado de técnicas para projetar superfícies não úmidas. Portanto, é importante entender quais cenários determinam o impacto gota a gota do óleo em uma superfície superanfifóbica e como a energia é transferida entre as gotas. Neste estudo, Ramírez-Soto et al. estudou experimentalmente e numericamente a dinâmica de uma gota de óleo de baixa tensão superficial impactando um líquido séssil de composição semelhante repousando sobre uma superfície superanfifóbica. A equipe mostrou como a gota de óleo impactando poderia levantar a gota em repouso da superfície sem coalescer.

p A abordagem experimental

p Os cientistas realizaram quatro experimentos de recuperação sem coalescência. No primeiro cenário, ambas as gotas repercutem; em dois outros cenários, a queda impactante ricocheteia enquanto a queda séssil permanece, e no cenário final a queda séssil ricocheteia enquanto a queda impactante permanece ligada à superfície. Durante os experimentos, Ramírez-Soto et al. posicionou suavemente uma gota de óleo séssil em uma superfície superfifóbica e atingiu-a com uma segunda gota idêntica. Eles criaram a superfície superanfifóbica usando uma camada de fuligem de vela modelada com 20 µm de espessura, que continha uma rede porosa de nanopérolas de carbono. Para aumentar a estabilidade da rede frágil, eles depositaram uma camada de sílica nas nanoestruturas porosas. Eles reduziram a energia superficial da superfície com padrão de fuligem por meio da fluoração para produzir uma superfície superanfifóbica que repeliu a água e a maioria dos óleos. Os cientistas usaram hexadecano como óleo modelo durante os experimentos devido a uma miríade de propriedades favoráveis, incluindo o comportamento newtoniano, e registraram o ângulo de uma gota de hexadecano usando microscopia confocal. O estudo comparou quantitativamente os dados experimentais e numéricos da dinâmica do rebote. Ramírez-Soto et al. calculou e confirmou o valor da forma da gota usando a equação de Young-Laplace.

p Resultados experimentais e simulações numéricas.

p A equipe observou seis resultados para a dinâmica de impacto. Durante o impacto, ambas as gotas deformadas e espalhadas radialmente para mostrar compressão axial, enquanto a energia cinética do sistema é transferida para as energias de superfície de ambos. Quando as gotas começaram a diminuir, a gota anteriormente séssil transferiu energia de volta para a queda impactante na forma de energia cinética. Após a colisão, a queda impactante ricocheteou, enquanto a gota séssil permaneceu no substrato. Os cientistas mantiveram um número constante de Weber ( Nós ~ 1,5) para todos os seis casos observados; onde o parâmetro tipicamente caracteriza a qualidade de atomização de um spray ou o tamanho de gotícula resultante de emulsões. Eles então traçaram o alinhamento frontal (denotado por X) e aumentaram o número de Weber para coalescência de gotas na configuração experimental. Eles creditaram o resultado à instabilidade da camada de ar entre as gotas como resultado do contato direto nas condições experimentais.

p Ramírez-Soto et al. em seguida, conduziu simulações numéricas diretas (DNS) para ilustrar o efeito dos campos de velocidade e transferência de energia entre as gotas e comparou os resultados com os dados experimentais. A equipe usou o método do volume geométrico de fluido (VOF) e preservou uma camada finita de ar entre as gotas ao longo do processo para simular as condições experimentais para obter gotas não-coalescentes usando simulações. A equipe executou as primeiras quatro simulações e quantificou os campos do vetor de velocidade para cada caso; os resultados permitirão explorar quantitativamente a dinâmica do processo de colisão gota a gota de óleo.

p Orçamento de energia

p Em todos os casos, a gota impactante continha energia como energia mecânica (na forma de energia cinética e potencial) e como energia de superfície da gota séssil. A energia mecânica do sistema então diminuiu e foi transferida para a energia de superfície das gotículas combinadas. Uma etapa de recuperação seguiu a transferência, em que a energia de superfície é transferida de volta para a energia mecânica do sistema, enquanto uma parte da energia se dissipou na forma de dissipação viscosa. Este processo foi responsável pela energia combinada dissipada nas gotas de líquido e no ar circundante. The calculations also accounted the layer of air between drop-on-drop contact as well as between drop-on-superamphiphobic substrate. The numerical simulations provided a quantitative description of impact dynamics, where a strong agreement existed between the drop boundaries and experimental mechanical energies.

p Desta maneira, Olinka Ramírez-Soto and colleagues combined systematic experiments and numerical simulations to predict and control the outcome of binary oil drop impacts on low-adhesion surfaces. The experimental and numeric one-on-one comparisons revealed the drop boundaries and center of mass mechanical energies, while illustrating the power of direct numerical simulations. The study highlighted how the alignment of droplet impact alone could be used to determine the recovered energy distribution between two drops after impact. p © 2020 Science X Network