O tempo avança da imagem da esquerda para a imagem da direita, onde a coluna da extrema direita de imagens representa gotas exibindo propagação máxima. (a) altura de liberação da gota z =10 mm, (b) z =100 mm, (c) z =700 mm. Crédito:Professor Assistente Yukihiro Yonemoto
Pesquisadores japoneses conseguiram derivar uma fórmula teórica que prevê quantitativamente o comportamento de umedecimento e espalhamento de gotículas que colidem com a superfície plana de um material sólido. Embora o comportamento das gotas que colidem com uma superfície sólida pareça simples superficialmente, na verdade, é bastante complicado devido a fatores inter-relacionados, como rugosidade da superfície, movimento fluido, e molhabilidade (facilidade de aderência do líquido) da superfície sólida pelo líquido. No passado, pesquisadores de todo o mundo tentaram fazer previsões quantitativas sobre a extensão das áreas molhadas por meio de experimentação, teoria e análise numérica, mas predição, particularmente durante colisões lentas, ainda não foram realizados.
As colisões de gotículas em superfícies sólidas são fundamentais para muitas aplicações industriais, como impressoras jato de tinta, injetores de combustível e resfriamento por spray. A área máxima de umedecimento e espalhamento das gotas após a colisão é um dos parâmetros mais importantes que influenciam a qualidade e a eficiência desse equipamento.
A área máxima de umedecimento e espalhamento de uma gota também varia dependendo da natureza da gota, a velocidade com que a gota atinge, e a natureza do sólido sobre o qual se choca. Por exemplo, quando uma gota colide com vidro ou Teflon, a área máxima de umedecimento e espalhamento será diferente. A facilidade com que um líquido adere a uma superfície depende da molhabilidade da superfície. A molhabilidade das gotas que aderem a uma superfície sólida é caracterizada pela equação de equilíbrio dinâmico tangencial (a equação de Young) na linha de contato.
Em estudos teóricos anteriores sobre a área máxima de umedecimento e propagação de gotas de colisão, apenas a equação de equilíbrio da linha de contato na direção tangencial foi considerada. Não houve expressões relacionais para prever a área máxima de umedecimento e espalhamento de uma gota sob uma ampla gama de condições de velocidade de impacto. Tipicamente, dois métodos são usados para fazer cálculos, um quando as velocidades de colisão são altas e outro quando as velocidades são baixas. Contudo, o método convencional usado para colisões de alta velocidade gera grandes erros em baixas velocidades, e o método convencional usado para colisões de baixa velocidade retorna grandes erros em altas velocidades.
O novo modelo teórico do pesquisador da Universidade de Kumamoto considera o componente normal da tensão superficial do líquido além do componente tangencial. Crédito:Professor Assistente Yukihiro Yonemoto
Para reduzir erros de cálculo, uma colaboração entre os pesquisadores da Universidade de Kumamoto e da Universidade de Kyoto com foco na tensão superficial normal na linha de contato, e o balanço de energia das gotículas que colidem com superfícies sólidas. Enquanto faz isso, eles consideraram as desvantagens de usar métodos convencionais para avaliar a dissipação de energia viscosa causada pelo movimento do fluido dentro de uma gota no momento da colisão, e derivou uma nova fórmula teórica.
Esta fórmula prevê quantitativamente a área máxima de umedecimento e espalhamento quando as gotas colidem com vários tipos de sólidos, tais como borracha de silicone ou substratos super-hidrofóbicos. Além disso, os pesquisadores confirmaram que ele pode ser aplicado não apenas em gotas de tamanho milimetrado, mas também em micro-gotas.
Gráfico mostrando a eficácia de um novo modelo teórico para prever a área de propagação de uma gota de água em uma superfície sólida em comparação com modelos convencionais anteriores. Crédito:Professor Assistente Yukihiro Yonemoto
"Recentemente, A tecnologia de fabricação de circuitos em nanoescala para substratos de semicondutores usando a tecnologia de jato de tinta tem atraído muita atenção, "disse o professor assistente Yukihiro Yonemoto da Universidade Kumamoto, quem lidera o estudo. "Observações de fenômenos em nanoescala, Contudo, requerem equipamento experimental caro, e a previsão por análise numérica requer tecnologia especializada. Ao usar um método simples para prever a área máxima de propagação de umedecimento de uma gota após a colisão, podemos esperar realizar projetos de circuitos mais eficientes, entre outras coisas. "As gotículas que atingem a superfície de um material sólido plano não só se esticam e se espalham, mas também se dividirá em gotículas mais finas (fenômeno de respingo) se a energia no momento da colisão for grande. Pesquisadores da Universidade Kumamoto e da Universidade de Kyoto estão atualmente trabalhando em uma teoria que considera esses fenômenos para estender ainda mais os resultados de suas pesquisas.
Esta descoberta foi publicada online no jornal de acesso aberto Relatórios Científicos em 24 de maio de 2017.
