La nueva superficie anima a las gotas a moverse espontáneamente alrededor de gotas más grandes

Cuando los investigadores colocaron microgotas de agua en su superficie de lubricación líquida, las microgotas se empujaron hacia arriba, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un menisco aceitoso en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. El «fenómeno de la gota gruesa» ha formado gotas lo suficientemente grandes como para ser recolectadas.

«Este efecto trepador mediado por el menisco permitió una rápida coalescencia en superficies hidrófilas y no se había informado antes. Hemos descubierto un nuevo fenómeno físico que hace posible recolectar agua más rápidamente del aire sin fuerza externa», dijo el Dr. Xianming Dai. asistente. profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson, quien dirigió el trabajo. «Si no tuviéramos este nuevo fenómeno, las gotas serían demasiado pequeñas y difícilmente podríamos recolectarlas».

Las microgotas de agua sobre una superficie SLIPS hidrófila (izquierda) se empujan hacia arriba, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un menisco aceitoso en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. A la derecha, el videoclip muestra cómo se comportan las microgotas sobre una superficie sólida y resbaladiza.

Los resultados, publicados el 25 de marzo en Informes celulares Ciencias físicas, podría resolver los problemas clave en la recolección de agua del aire. Muchas de las gotitas que se condensan a partir del vapor de agua en el aire son demasiado pequeñas para acumularse y pueden cubrir una superficie de manera que se evite una mayor condensación.

El desarrollo de nuevas tecnologías que recolectan agua de la atmósfera es un campo de investigación en crecimiento a medida que más y más personas viven en áreas donde el agua dulce es escasa. Los científicos estiman que 4 mil millones de personas viven en regiones con una grave escasez de agua dulce durante al menos un mes al año. Se prevé que este número aumente a entre 4,8 y 5,7 mil millones para 2050. Las razones incluyen el cambio climático, el suministro de agua contaminada y el aumento de la demanda debido tanto al crecimiento de la población como a los cambios en el comportamiento de uso.

La clave de la acción de auto-escalada del micro-drop es una superficie que Dai y sus colegas han desarrollado previamente. Su lubricante líquido, una superficie porosa hidrófila resbaladiza con infusión de líquido (SLIPS), tiene una naturaleza hidrófila única para recolectar agua y dirige rápidamente las gotas de agua hacia los depósitos.

Los investigadores descubrieron accidentalmente el fenómeno de las gotas autopropulsadas en su superficie. Estaban probando diferentes lubricantes para determinar cuál facilitaría mejor la recolección de agua cuando vieron gotas de agua más pequeñas empujando hacia gotas más grandes. Esto los llevó a colaborar con el Dr. Howard A. Stone, presidente de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Princeton y experto en dinámica de fluidos, para investigar la física detrás del fenómeno.

«El Dr. Dai y su equipo dirigieron este trabajo. Las ideas son creativas e hicieron una serie de observaciones en el laboratorio que les permitió comprender la física subyacente y sus aplicaciones potenciales», dijo Stone. «Se pusieron en contacto conmigo para discutir el mecanismo y tuvimos varias reuniones de Skype o Zoom e intercambios de correo electrónico. Todo fue muy interesante y estimulante. Realmente disfruté viendo la evolución de las ideas en el documento publicado».

A medida que el vapor de agua se condensa en la superficie del lubricante líquido, el aceite lubricante forma un menisco o curvatura alrededor de las gotas. El menisco parece una rampa curva hacia arriba, que sirve como un puente a lo largo del cual las microgotas suben espontáneamente y se fusionan con gotas de agua más grandes, un proceso que los investigadores denominan efecto bruto. Las propiedades de la superficie lubricada evitan que las gotas de agua se sumerjan por completo en el aceite, de modo que puedan flotar sobre el aceite y permitir que asciendan.

«El menisco del petróleo actúa como un puente, por lo que la gota puede trepar por él», dijo Dai. «La pequeña gota busca activamente una más grande. Después de estar conectadas por el puente, se convierten en una».

Cuando pequeñas gotas de agua se condensan del aire sobre una superficie enfriada, se convierten en barreras térmicas que evitan una mayor condensación. Al permitir la recolección rápida de gotas de agua, las gotas más gruesas ayudan a limpiar las superficies para la formación de nuevas gotas, lo que facilita una recolección de agua más rápida y eficiente.

La gota gruesa autopropulsada en SLIPS hidrófilos muestra una rápida eliminación de gotas condensadas de tamaño submicrométrico independientemente de cómo esté orientada la superficie, lo que presenta un enfoque prometedor en comparación con otras superficies utilizadas para la recolección de agua.

«No podemos recolectar una gran cantidad de agua a menos que tengamos un proceso de recolección rápido. El problema con otras superficies es que las pequeñas gotas de agua pueden evaporarse antes de que puedan recolectarse», dijo Dai.

«Según nuestros datos experimentales, la superficie rugosa mejoró la tasa de recolección de agua en un 200% más que sus contrapartes», dijo Zongqi Guo, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y coautor principal. Dai y sus colegas continúan trabajando en cómo usar su lubricante para hacer sistemas de recolección de agua sostenibles que sean móviles, de menor tamaño, más livianos y menos costosos.

«Si podemos hacer esto, podemos recolectar agua donde haya aire, lo cual es especialmente importante en regiones donde el agua es escasa», dijo Dai.

La investigación fue financiada por la National Science Foundation y la Army Research Office.