Quando as gotas de congelamento impactam uma superfície, eles geralmente aderem a ele ou ricocheteiam. Controlar essa resposta é crucial para muitos aplicativos, incluindo impressão 3-D, a pulverização de alguns revestimentos de superfície, e a prevenção da formação de gelo em estruturas como asas de avião, turbinas eólicas, ou linhas de energia.

Agora, Os pesquisadores do MIT descobriram uma nova reviravolta surpreendente na mecânica envolvida quando as gotas entram em contato com as superfícies. Embora a maioria das pesquisas tenha se concentrado nas propriedades hidrofóbicas de tais superfícies, Acontece que suas propriedades térmicas também são crucialmente importantes - e fornecem uma oportunidade inesperada de "ajustar" essas superfícies para atender às necessidades exatas de uma determinada aplicação. Os novos resultados são apresentados hoje na revista. Física da Natureza , em um relatório do professor associado de engenharia mecânica Kripa Varanasi do MIT, ex-pós-doutorado Jolet de Ruiter, e pós-doutorado Dan Soto.

"Encontramos algo muito interessante, "Varanasi explica. Sua equipe estava estudando as propriedades de um líquido - neste caso, gotas de metal fundido - congelando em uma superfície. "Tínhamos dois substratos com propriedades umectantes semelhantes [a tendência de se espalhar ou formar gotas em uma superfície], mas propriedades térmicas diferentes." De acordo com o pensamento convencional, a forma como as gotículas agiam nas duas superfícies deveria ser semelhante, mas, em vez disso, acabou sendo dramaticamente diferente.

No silício, que conduz o calor muito bem, como a maioria dos metais fazem, "o metal fundido simplesmente caiu, "Diz Varanasi. Mas no vidro, que é um bom isolante térmico, "as gotas de metal grudaram e eram difíceis de remover."

A descoberta mostrou que "podemos controlar a adesão de uma gota de congelamento em uma superfície, controlando as propriedades térmicas" dessa superfície, ele diz. "É uma abordagem totalmente nova" para determinar como os líquidos interagem com as superfícies, ele adiciona. "Ele fornece novas ferramentas para controlarmos o resultado dessas interações líquido-sólido."

Para explicar a diferença na condutividade térmica de diferentes materiais, Varanasi dá o exemplo de duas superfícies de piso, um feito de pedra, outro de madeira. Mesmo que ambos estejam exatamente na mesma temperatura, se você pisar descalço na madeira, vai parecer mais quente do que a pedra. Isso porque a pedra tem maior efusividade térmica (a taxa na qual um material pode trocar calor) do que a madeira, então tira o calor de seus pés mais rapidamente, fazendo com que pareça mais frio.

Os experimentos no estudo foram realizados com metal fundido, o que é importante em alguns processos industriais, como os revestimentos de spray térmico que são aplicados às lâminas da turbina e outras peças da máquina. Para esses processos, a qualidade e uniformidade dos revestimentos podem depender de quão bem cada pequena gota adere à superfície durante a deposição. Os resultados provavelmente se aplicam a todos os tipos de líquidos também, incluindo água, Varanasi diz.

Ao revestir superfícies, "a forma como as gotas impactam e formam respingos determina a integridade do próprio revestimento. Se não for perfeito, pode ter um impacto tremendo no desempenho da peça, como uma lâmina de turbina, "Diz Varanasi." Nossas descobertas fornecerão uma compreensão totalmente nova de quando as coisas duram e quando não ".

Os novos insights podem ser úteis quando é desejável que as gotículas grudem nas superfícies, como em alguns tipos de impressoras 3-D, para ajudar a garantir que cada camada impressa adira completamente à camada anterior, e quando é importante evitar que as gotas grudem, como nas asas de um avião em tempo gelado. A pesquisa também pode ser útil para a limpeza e gerenciamento de resíduos de processos de fabricação de aditivos e pulverização térmica.

Soto diz que a descoberta surgiu quando a equipe estava estudando o mecanismo de congelamento local na interface entre o líquido e o substrato, usando uma câmera térmica de alta velocidade que revelou efeitos rápidos durante o processo de resfriamento que seriam impossíveis de ver em escalas de tempo mais longas. As imagens mostraram um desenvolvimento progressivo de franjas ao redor das bordas externas das gotas. "Percebemos então que a gota estava inesperadamente se enrolando e se destacando da superfície ao congelar, ", diz ele. Eles descreveram esse fenômeno como" auto-descamação "das gotículas.

“Os principais ingredientes para este fenômeno, "de Ruiter diz, "são a interação entre a dinâmica dos fluidos de curta escala de tempo, que definiu a adesão, e efeitos térmicos de maior escala de tempo, que levam à deformação global. "A equipe desenvolveu um mapa de projeto que captura diferentes resultados possíveis (aderência, auto-peeling, ou quicando) em termos de propriedades térmicas principais:queda e efusividades do substrato, e temperaturas.

Uma vez que o grau em que as gotículas aderem ou não dependem das propriedades térmicas de um material, é possível adaptar essas propriedades com base no aplicativo, Soto diz. “Podemos imaginar cenários onde as propriedades térmicas podem ser ajustadas em tempo real por meio de campos elétricos ou magnéticos, permitindo que a aderência da superfície às gotas impactantes seja ajustável. "

O resultado da colagem também pode ser controlado simplesmente alterando as temperaturas relativas das gotículas e da superfície, a equipe encontrou. Em muitos casos, essas mudanças são contra-intuitivas:por exemplo, embora se possa esperar que a única maneira de evitar a aderência de gotículas de congelamento é aquecendo um substrato, a equipe encontrou um novo regime, onde o resfriamento da superfície também pode levar ao mesmo resultado.