A molhabilidade de uma superfície - sejam gotas de água ou outro líquido que se espalham ou se espalham quando entram em contato com ela - é um fator crucial em uma ampla variedade de aplicações comerciais e industriais, como a eficiência com que caldeiras e condensadores funcionam em energia plantas ou como os tubos de calor afunilam o calor em processos industriais. Essa característica há muito é vista como uma propriedade fixa de um determinado par de materiais líquidos e sólidos, mas agora os pesquisadores do MIT desenvolveram uma maneira de fazer com que até mesmo os pares mais improváveis ​​de materiais assumam um nível desejado de molhabilidade.
O novo processo é descrito esta semana na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), em um artigo dos pós-doutorandos do MIT Kyle Wilke, Zhengmao Lu e Youngsop Song e da professora de engenharia mecânica Evelyn Wang.

A molhabilidade geralmente está intimamente ligada às propriedades de tensão superficial de um líquido – quanto maior a tensão superficial, maior a probabilidade de o líquido formar grânulos em uma superfície, em vez de se espalhar para molhar a superfície. O mercúrio tem uma tensão superficial excepcionalmente alta e, portanto, é considerado altamente não molhante, e por isso a equipe escolheu esse líquido notoriamente difícil para uma de suas demonstrações. Eles foram capazes de produzir uma superfície, feita de um material tipicamente não umectante, que fez com que o mercúrio se espalhasse por ela sem uma reação química, algo nunca antes demonstrado.

O novo método baseia-se na texturização da superfície, independentemente de sua composição, com recortes espaçados que possuem "aberturas reentrantes" - ou seja, a abertura na parte superior é mais estreita do que o resto da cavidade, mais ou menos como uma jarra com uma abertura estreita. boca. Essa superfície texturizada é pré-tratada com um líquido que preenche todas essas cavidades, deixando áreas expostas de líquido nessas aberturas em toda a superfície, o que altera as propriedades da superfície. Quando outro líquido é adicionado, que dependendo da aplicação pode ser igual ou diferente daquele pré-carregado na superfície, sua resposta à superfície é alterada de não molhante para molhante.

Superfícies que têm uma alta molhabilidade para a água são conhecidas como hidrofílicas, e aquelas que não são molhantes para a água são conhecidas como hidrofóbicas. A molhabilidade ou não molhabilidade é o termo genérico para tal comportamento, independentemente do líquido específico envolvido.

Embora as superfícies reentrantes tenham sido demonstradas antes para outros fins, este trabalho é o primeiro a mostrar que elas podem ser usadas para alterar a superfície para produzir "regimes de umedecimento que não foram demonstrados antes", diz Wang, professor de engenharia da Ford. e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

As descobertas são tão novas que pode haver muitas aplicações do mundo real que a equipe ainda não pensou, diz Wilke:"Isso é algo que estamos muito animados em começar a explorar", diz ele. Mas o gerenciamento térmico em vários processos industriais provavelmente estará entre os primeiros usos práticos. A maneira como a água ou outro fluido de trabalho se espalha ou não se espalha pelas superfícies do condensador pode ter uma grande influência na eficiência de muitos processos que envolvem evaporação e condensação, incluindo usinas de energia elétrica e usinas de processamento químico.

"Nós agora pegamos uma superfície não umectante e a tornamos umectante", diz Wilke. "As pessoas já fizeram o caso oposto, de pegar algo que molha e torná-lo não molhante." Assim, este novo trabalho abre as portas para poder exercer controle quase total da molhabilidade para diferentes combinações de materiais de superfície e líquidos.

"Agora podemos criar superfícies que têm as combinações mais concebíveis de molhabilidade", diz Wilke. "Acho que isso pode definitivamente abrir algumas aplicações realmente intrigantes que estamos procurando explorar."

Uma área promissora é em revestimentos de proteção. Muitos materiais usados ​​para proteger as superfícies de produtos químicos agressivos são compostos fluorados que são fortemente não umectantes, o que pode torná-los inadequados para muitas aplicações. Tornar essas superfícies umedecidas pode abrir muitos novos usos potenciais para esses revestimentos.

Os tubos de calor de alta temperatura, usados ​​para conduzir calor de um lugar para outro, como para refrigeração de máquinas ou eletrônicos, são outra aplicação promissora. "Muitos desses fluidos de trabalho são de metal líquido e são conhecidos por terem uma tensão superficial muito alta", diz Lu. Isso limita drasticamente a escolha de tais fluidos, e essa nova abordagem pode abrir possíveis escolhas de materiais.

Embora as indentações de superfície complexas para esta pesquisa tenham sido fabricadas usando processos de fabricação de semicondutores, a equipe está explorando outras maneiras de obter o mesmo tipo de texturização usando impressão 3D ou algum outro processo que possa ser mais facilmente dimensionado para aplicações do mundo real.

A equipe também está explorando variações nos tamanhos e formas dessas aberturas reentrantes. Por exemplo, diz Lu, embora seja a área da superfície e o espaçamento dessas aberturas que determinam principalmente seu comportamento de molhabilidade, sua profundidade pode influenciar a estabilidade desse comportamento, porque os orifícios mais profundos são mais resistentes à evaporação que poderia prejudicar as melhorias na molhabilidade. "A distância até o fundo do canal é uma dimensão crítica que pode afetar o comportamento de umedecimento", diz ele. Essas variações estão sendo exploradas no trabalho de acompanhamento.

Ao usar o mercúrio, diz Lu, a equipe "escolheu nosso conjunto de geometria com base neste caso mais difícil" e ainda conseguiu demonstrar alta molhabilidade. "Então, para combinações menos difíceis, você tem mais flexibilidade para escolher geometrias provavelmente mais fáceis de fazer."

"Provavelmente há muitas indústrias que se beneficiarão", diz Wang, "seja uma indústria de processamento químico, uma indústria de tratamento de água ou uma indústria de produtos térmicos". Um dos próximos passos que a equipe dará, diz ela, é "conversar com essas várias indústrias para identificar onde está a oportunidade de curto prazo". + Explorar mais

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Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.