Salpique algumas gotas de água em uma panela quente e se a panela estiver quente o suficiente, a água chiará e as gotas de água parecerão rolar e flutuar, pairando acima da superfície.



A temperatura na qual ocorre esse fenômeno, denominado efeito Leidenfrost, é previsível, geralmente acima de 230 graus Celsius. A equipe de Jiangtao Cheng, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Virginia Tech, descobriu um método para criar a levitação aquática a uma temperatura muito mais baixa, e os resultados foram publicados na Nature Physics. .

Ao lado do primeiro autor e Ph.D. estudante Wenge Huang, a equipe de Cheng colaborou com o Oak Ridge National Lab e a Dalian University of Technology em seções da pesquisa.

A descoberta tem grande potencial em aplicações de transferência de calor, como resfriamento de máquinas industriais e limpeza de incrustações de superfícies para trocadores de calor. Também poderia ajudar a prevenir danos e até desastres às máquinas nucleares.

Atualmente, existem mais de 90 reatores nucleares operáveis ​​licenciados nos EUA que abastecem dezenas de milhões de residências, ancoram comunidades locais e, na verdade, são responsáveis ​​por metade da produção de eletricidade de energia limpa do país. São necessários recursos para estabilizar e resfriar esses reatores, e a transferência de calor é crucial para as operações normais.

A física da água flutuante

Durante três séculos, o efeito Leidenfrost tem sido um fenômeno bem conhecido entre os físicos que estabelece a temperatura na qual as gotas de água pairam sobre um leito de seu próprio vapor. Embora tenha sido amplamente documentado que começa em 230 graus Celsius, Cheng e sua equipe reduziram esse limite para muito mais baixo.

O efeito ocorre porque existem dois estados diferentes de água convivendo. Se pudéssemos ver a água ao nível da gota, observaríamos que nem toda a gota ferve à superfície, apenas parte dela. O calor vaporiza o fundo, mas a energia não percorre toda a gota. A porção líquida acima do vapor recebe menos energia porque grande parte dela é usada para ferver o fundo. Essa porção líquida permanece intacta, e é isso que vemos flutuando na sua própria camada de vapor. Isto tem sido referido desde a sua descoberta no século 18 como efeito Leidenfrost, em homenagem ao médico alemão Johann Gottlob Leidenfrost.

Essa temperatura quente está bem acima do ponto de ebulição da água de 100 graus Celsius porque o calor deve ser alto o suficiente para formar instantaneamente uma camada de vapor. Muito baixo e as gotas não pairam. Muito alto e o calor vaporizará toda a gota.

Novo trabalho na superfície

A medição tradicional do efeito Leidenfrost assume que a superfície aquecida é plana, o que faz com que o calor atinja as gotas de água de maneira uniforme. Trabalhando no Laboratório de Física de Fluidos da Virginia Tech, a equipe de Cheng encontrou uma maneira de diminuir o ponto inicial do efeito, produzindo uma superfície coberta com micropilares.

“Como as papilas de uma folha de lótus, as micropilares fazem mais do que decorar a superfície”, disse Cheng. "Eles dão à superfície novas propriedades."

Os micropilares projetados pela equipe de Cheng têm 0,08 milímetros de altura, aproximadamente a mesma largura de um fio de cabelo humano. Eles estão dispostos em um padrão regular com 0,12 milímetros de distância. Uma gota de água abrange 100 ou mais deles. Esses pequenos pilares pressionam uma gota de água, liberando calor no interior da gota e fazendo-a ferver mais rapidamente.

Em comparação com a visão tradicional de que o efeito Leidenfrost é desencadeado a 230 graus Celsius, as micropilares em forma de barbatana pressionam mais calor na água do que uma superfície plana. Isso faz com que as microgotículas levitem e saltem da superfície em milissegundos em temperaturas mais baixas, porque a velocidade de ebulição pode ser controlada alterando a altura dos pilares.

Diminuindo os limites de Leidenfrost

Quando a superfície texturizada foi aquecida, a equipe descobriu que a temperatura na qual o efeito flutuante era alcançado era significativamente inferior à de uma superfície plana, começando em 130 graus Celsius.

Esta não é apenas uma descoberta nova para a compreensão do efeito Leidenfrost, mas também uma reviravolta nos limites anteriormente imaginados. Um estudo de 2021 da Emory University descobriu que as propriedades da água realmente causaram a falha do efeito Leidenfrost quando a temperatura da superfície aquecida desceu para 140 graus. Usando os micropilares criados pela equipe de Cheng, o efeito é sustentável mesmo 10 graus abaixo disso.

“Pensamos que os micropilares mudariam o comportamento deste fenómeno bem conhecido, mas os nossos resultados desafiaram até a nossa imaginação”, disse Cheng. "As interações bolha-gotícula observadas são uma grande descoberta para a transferência de calor em ebulição."

O efeito Leidenfrost é mais do que um fenómeno intrigante de observar, é também um ponto crítico na transferência de calor. Quando a água ferve, ela remove o calor de uma superfície com mais eficiência. Em aplicações como resfriamento de máquinas, isso significa que a adaptação de uma superfície quente à abordagem texturizada apresentada pela equipe de Cheng elimina o calor mais rapidamente, diminuindo a possibilidade de danos causados ​​quando uma máquina fica muito quente.

“Nossa pesquisa pode prevenir desastres como explosões de vapor, que representam ameaças significativas aos equipamentos industriais de transferência de calor”, disse Huang. "As explosões de vapor ocorrem quando as bolhas de vapor dentro de um líquido se expandem rapidamente devido à presença de uma fonte de calor intensa nas proximidades. Um exemplo de onde esse risco é particularmente pertinente é nas usinas nucleares, onde a estrutura da superfície dos trocadores de calor pode influenciar o crescimento das bolhas de vapor e potencialmente desencadear tais explosões. Através de nossa exploração teórica no artigo, investigamos como a estrutura da superfície afeta o modo de crescimento das bolhas de vapor, fornecendo informações valiosas sobre como controlar e mitigar o risco de explosões de vapor."

Outro desafio enfrentado pela equipe são as impurezas que os fluidos deixam nas texturas das superfícies ásperas, representando desafios para a autolimpeza. Sob condições de limpeza ou enxágue por pulverização, nem o Leidenfrost convencional nem as gotas frias em temperatura ambiente podem eliminar completamente as partículas depositadas na rugosidade da superfície.

Usando a estratégia de Cheng, a geração de bolhas de vapor é capaz de desalojar essas partículas da rugosidade da superfície e suspendê-las na gota. Isso significa que as bolhas em ebulição podem afastar o calor e as impurezas da superfície.