As bolhas são finas conchas líquidas rodeadas de ar. Embora menos conhecidas, também existem antibolhas, que são o oposto das bolhas, ou seja, um fino envelope de vapor rodeado por líquido. Num novo estudo, mostramos que é possível criar antibolhas impactando uma gota de um líquido volátil num banho de óleo viscoso aquecido a uma temperatura acima do ponto de ebulição da gota.



Descobrimos esse fenômeno por acaso no laboratório GRASP da Universidade de Liège enquanto estudávamos outro problema relativo ao aparecimento do efeito Leidenfrost para uma gota volátil em um banho líquido.

Durante este estudo, depositamos suavemente a gota volátil em um banho quente de óleo viscoso. A ideia original era reduzir ao máximo o movimento das gotas para não afetar a medição do início do efeito Leidenfrost. Este efeito, batizado em homenagem a um cientista alemão do século XVIII, corresponde à situação paradigmática em que uma gota de água se move sobre uma panela quente, praticamente sem atrito. A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters .

Na verdade, o calor fornecido pela panela vaporiza a gota, conduzindo assim efectivamente à sua levitação acima da superfície quente. Por extensão, o efeito Leidenfrost aplica-se a qualquer situação em que um objeto é separado por uma camada de gás sustentada pela sua própria evaporação causada por uma transferência de calor do substrato.

Porém, no decorrer deste estudo, notamos que se libertássemos a gota volátil de cima, a energia cinética da gota permitia que ela penetrasse no banho, cercada por uma fina película de gás. A coluna subsequente revestida com gás que é formada dinamicamente desestabiliza e eventualmente se solta. O resultado é uma gota encapsulada por uma fina camada de vapor circundada pelo banho líquido, ou seja, uma antibolha.

Tais objetos foram feitos antes em condições isotérmicas, mas a sua existência foi extremamente curta, menos de 100 ms. Na verdade, uma vez que a pressão hidrostática é mais elevada na parte inferior do que na parte superior da antibolha, uma drenagem impulsionada pela gravidade promove um fluxo de gás.

O fundo fica então mais fino, mais frágil e eventualmente a gota e o líquido do banho entram em contato, levando à morte da antibolha. No entanto, quando uma gota volátil é usada em um banho superaquecido, um fluxo de calor do banho em direção à gota, através do fino invólucro de gás, é estabelecido e a subsequente vaporização da gota pode neutralizar o efeito de drenagem.

A antibolha resultante tem vida muito mais longa. Como a origem física destas antibolhas relativamente estáveis ​​é a diferença de temperatura entre o banho e a gota, cunhamos a terminologia “antibolhas térmicas” para estes objetos.

Como primeiro passo, estudamos sistematicamente as condições de impacto, ou seja, a inércia da gota que entra, e a diferença de temperatura entre o banho e a gota que levou à formação de antibolhas térmicas. Estabelecemos um diagrama de fases em função desses dois parâmetros onde podem ser criadas antibolhas para o par de fluidos considerados em seu estudo.

Em seguida, focamos na dinâmica de uma antibolha térmica após sua formação. Observamos que a antibolha afunda primeiro no banho, pois a densidade do líquido que compõe a gota é maior que a densidade do banho viscoso e a camada de vapor que envolve a gota é inicialmente muito fina. Como o banho é mais quente que o ponto de ebulição da gota, a gota evapora e alimenta a camada de gás da antibolha sem ferver (essa é a magia de Leidenfrost).

Como resultado da geração de vapor, a flutuabilidade da antibolha aumenta e atinge um ponto em que se iguala ao peso da gota e a antibolha para. Posteriormente, a flutuabilidade da antibolha supera o peso da gota e o seu movimento inverte-se em direção à superfície do banho.

À medida que a antibolha completa sua jornada pelo banho quente, rastreamos os contornos da antibolha e deduzimos seu volume em função do tempo. Para uma gota de cerca de 800 μm de raio e uma diferença de temperatura entre o banho e a gota próxima de 80°C, observamos que o volume da antibolha aumentou por um fator de três em cerca de 200 ms. Para diferenças maiores de temperatura, a taxa de inflação da antibolha mostra-se ainda maior.

Para racionalizar as suas observações, os nossos colegas do laboratório TIPs da Universidade Libre de Bruxelas e que estão envolvidos neste estudo trabalharam para modelar o problema. Como a transferência de calor que leva à evaporação da gota é escravizada pela espessura da camada de gás que é impactada pela drenagem gravitacional, um modelo acoplado de transporte de calor e fluido deve ser escrito.

O primeiro passo foi adaptar os modelos previamente desenvolvidos para racionalizar a dinâmica da camada de vapor no problema das gotículas de Leidenfrost em substrato líquido. Mas, infelizmente, esta abordagem previu uma taxa de inflação muito mais elevada da antibolha, cerca de 20 vezes superior à observada experimentalmente.

Trabalhamos muito para encontrar o ingrediente que faltava neste modelo. Finalmente, descobrimos que o ingrediente que faltava era a termalização da gota à temperatura ambiente durante o impacto e o bombeamento de energia térmica do banho para atingir a temperatura de ebulição. O efeito da termalização das gotículas é geralmente negligenciado em problemas envolvendo gotículas de Leidenfrost, pois diz respeito à dinâmica inicial das gotículas, enquanto os experimentos estudam principalmente o tempo de vida total dessas gotículas.

No presente problema de antibolhas térmicas, provamos que a termalização das gotas é essencial para prever sua dinâmica. Na ausência de termalização, a taxa de inflação das antibolhas seria muito maior, o que reduziria consideravelmente a sua vida útil e tornaria estes objetos ainda mais efêmeros do que realmente são.

Uma solução analítica para a termalização difusional de uma esfera levada subitamente a uma temperatura diferente em sua interface e em seu centro estava disponível na literatura. Felizmente, foi possível simplificar ainda mais a solução inicial graças às curtas escalas de tempo consideradas e o cálculo do modelo pôde ser alcançado facilmente.

Uma prova experimental da importância da termalização das gotículas é a fé em pequenas gotículas satélites que às vezes aparecem quando a gotícula-mãe é arrancada pelo banho no momento do impacto. A taxa de inflação dessas gotículas satélites é muito maior do que a da gotícula mãe. A diferença é tão grande que o volume da pequena antibolha pode atingir rapidamente o da grande antibolha. Esta observação é uma prova direta do papel principal da termalização das gotículas, uma vez que as gotículas satélite termalizam muito mais rapidamente do que as gotículas-mãe devido ao seu pequeno tamanho.

Na verdade, apenas o termo de termalização pode racionalizar esta observação nas equações que descrevem o problema. No final das contas, verifica-se que nos primeiros 100 milissegundos após a sua criação, uma gota de Leidenfrost bombeia aproximadamente 95% do calor proveniente do banho para termalizar e não para evaporar, como pode ser concluído a partir dos modelos existentes.

Concluímos que as antibolhas térmicas são objetos únicos para visualizar diretamente a taxa de evaporação de gotículas voláteis sob diferentes condições térmicas e as consequências da termalização das gotículas.

No futuro, estes objetos poderão ser considerados como pequenas sondas para estimar as propriedades térmicas de fluidos em diferentes situações de interesse prático. Finalmente, se a vida útil destas antibolhas térmicas for de facto algumas vezes maior do que as suas contrapartes isotérmicas, ainda não alcançámos a satisfação completa. O fator limitante para esses objetos é o fato de que, após retornarem à interface devido à sua rápida mudança de densidade, eles se parecem muito com bolhas de superfície regulares e não podem mais ser considerados antibolhas.

A próxima história sobre este assunto deverá ser escrita a partir de ambientes livres de gravitação, esperançosamente em escalas de tempo maiores, graças a um projecto aprovado pela ESA para voos parabólicos que provavelmente acontecerão em 2024.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde os pesquisadores podem relatar as descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

Mais informações: Jonas Miguet et al, Thermal Antibubbles:When Thermalization of Encapsulated Leidenfrost Drops Matters, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.184001
Informações do diário: Cartas de revisão física

A equipa inclui investigadores que trabalham na área das matérias moles de três laboratórios na Bélgica e em França. Benoid Scheid e Stéphane Dorbolo deram contribuições importantes para o problema das antibolhas isotérmicas no passado. Laurent Maquet e Baptiste Darbois Texier estudaram vários problemas envolvendo o efeito Leidenfrost. Jonas Miguet é especialista em transferência de massa em filmes finos fluidos. Todas essas habilidades juntas permitiram racionalizar a dinâmica desses novos objetos, que chamamos de “antibolhas térmicas”.