Quando você está fritando algo em uma frigideira e algumas gotas de água caem na frigideira, você deve ter notado aquelas gotas escorregando em cima da película de óleo quente. Agora, esse fenômeno aparentemente trivial foi analisado e compreendido pela primeira vez por pesquisadores do MIT - e pode ter implicações importantes para dispositivos microfluídicos, sistemas de transferência de calor, e outras funções úteis.

Uma gota de água fervente em uma superfície quente às vezes levita em uma fina película de vapor, um fenômeno bem estudado chamado efeito Leidenfrost. Por estar suspenso em uma almofada de vapor, a gota pode se mover pela superfície com pouco atrito. Se a superfície for revestida com óleo quente, que tem um atrito muito maior do que o filme de vapor sob uma gota de Leidenfrost, deve-se esperar que a gota quente se mova muito mais lentamente. Mas, contra-intuitivamente, a série de experimentos no MIT mostrou que o efeito oposto acontece:a gota no óleo se afasta muito mais rapidamente do que no metal puro.

Este efeito, que impulsiona as gotículas através de uma superfície oleosa aquecida de 10 a 100 vezes mais rápido do que no metal descoberto, poderia ser potencialmente usado para sistemas de autolimpeza ou degelo, ou para impulsionar pequenas quantidades de líquido através dos minúsculos tubos de dispositivos microfluídicos usados ​​para pesquisas e testes biomédicos e químicos. Os resultados são descritos hoje em um artigo na revista Cartas de revisão física , escrito pelo aluno de graduação Victor Julio Leon e professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.

Em pesquisas anteriores, Varanasi e sua equipe mostraram que seria possível aproveitar esse fenômeno para algumas dessas aplicações potenciais, mas o novo trabalho, produzindo tais velocidades altas (aproximadamente 50 vezes mais rápido), poderia abrir ainda mais novos usos, Varanasi diz.

Depois de uma análise longa e meticulosa, Leon e Varanasi foram capazes de determinar a razão para a rápida ejeção dessas gotas da superfície quente. Sob as condições certas de alta temperatura, viscosidade do óleo, e espessura do óleo, o óleo formará uma espécie de manto fino cobrindo a parte externa de cada gota d'água. À medida que a gota aquece, minúsculas bolhas de vapor se formam ao longo da interface entre a gota e o óleo. Como essas bolhas minúsculas se acumulam aleatoriamente ao longo da base da gota, desenvolver assimetrias, e a menor fricção sob a bolha afrouxa o apego da gota à superfície e a impele para longe.

O filme oleoso age quase como a borracha de um balão, e quando as pequenas bolhas de vapor estouram, eles transmitem uma força e "o balão simplesmente voa porque o ar está saindo de um lado, criando uma transferência de momentum, "Varanasi diz. Sem a capa de óleo, as bolhas de vapor apenas fluiriam para fora da gota em todas as direções, impedindo a autopropulsão, mas o efeito de camuflagem os prende como a pele de um balão.

O fenômeno parece simples, mas acaba por depender de uma interação complexa entre eventos que acontecem em diferentes escalas de tempo.

Este fenômeno de auto-ejeção recém-analisado depende de uma série de fatores, incluindo o tamanho da gota, a espessura e a viscosidade do filme de óleo, a condutividade térmica da superfície, a tensão superficial dos diferentes líquidos no sistema, o tipo de óleo, e a textura da superfície.

Em seus experimentos, a viscosidade mais baixa dos vários óleos testados era cerca de 100 vezes mais viscosa do que o ar circundante. Então, seria de se esperar que as bolhas se movessem muito mais lentamente do que na almofada de ar do efeito Leidenfrost. "Isso dá uma ideia de como é surpreendente que esta gota esteja se movendo mais rápido, "Leon diz.

Quando a fervura começa, bolhas se formarão aleatoriamente a partir de algum local de nucleação que não está bem no centro. A formação de bolhas aumentará desse lado, levando à propulsão em uma direção. Até aqui, os pesquisadores não foram capazes de controlar a direção dessa propulsão induzida aleatoriamente, mas agora estão trabalhando em algumas maneiras possíveis de controlar a direcionalidade no futuro. "Temos ideias de como acionar a propulsão em direções controladas, "Leon diz.

Notavelmente, os testes mostraram que, embora a película de óleo da superfície, que era um wafer de silício, tinha apenas 10 a 100 mícrons de espessura - aproximadamente a espessura de um fio de cabelo humano - seu comportamento não correspondia às equações para um filme fino. Em vez de, por causa da vaporização do filme, na verdade, estava se comportando como uma poça infinitamente profunda de petróleo. "Ficamos meio surpresos" com essa descoberta, Leon diz. Embora um filme fino deva ter feito com que ele grude, a poça virtualmente infinita deu à gotícula um atrito muito menor, permitindo que ele se mova mais rapidamente do que o esperado, Leon diz.

O efeito depende do fato de que a formação das pequenas bolhas é um processo muito mais rápido do que a transferência de calor através do filme de óleo, cerca de mil vezes mais rápido, deixando bastante tempo para que as assimetrias dentro da gota se acumulem. Quando as bolhas de vapor se formam inicialmente na interface óleo-água, são muito mais isolantes que o líquido da gota, levando a distúrbios térmicos significativos no filme de óleo. Esses distúrbios fazem com que a gota vibre, reduzindo o atrito e aumentando a taxa de vaporização.

Foi necessária uma fotografia de extrema alta velocidade para revelar os detalhes desse efeito rápido, Leon diz, usando um 100, Câmera de vídeo de 000 quadros por segundo. "Você pode realmente ver as flutuações na superfície, "Leon diz.

Inicialmente, Varanasi diz, "estávamos perplexos em vários níveis sobre o que estava acontecendo, porque o efeito foi tão inesperado. ... É uma resposta bastante complexa para o que pode parecer simples, mas realmente cria essa propulsão rápida. "

Na prática, o efeito significa que, em certas situações, um simples aquecimento de uma superfície, na quantidade certa e com o tipo certo de revestimento oleoso, pode fazer com que as gotas de incrustação corrosivas sejam eliminadas da superfície. Mais abaixo na linha, uma vez que os pesquisadores tenham mais controle sobre a direcionalidade, o sistema poderia potencialmente substituir algumas bombas de alta tecnologia em dispositivos microfluídicos para impulsionar as gotículas através dos tubos certos no momento certo. Isso pode ser especialmente útil em situações de microgravidade, onde as bombas comuns não funcionam normalmente.

Também pode ser possível anexar uma carga útil às gotas, criando uma espécie de sistema de entrega robótica em microescala, Varanasi diz. E enquanto seus testes se concentraram em gotas de água, potencialmente, poderia se aplicar a muitos tipos diferentes de líquidos e sólidos sublimados, ele diz.

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.