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Mayor comprensión de los diversos mecanismos de formación de superficies hidrofóbicas.

En un artículo reciente, unos investigadores han logrado medir con mayor precisión la tensión generada en una gota sobre tres tipos de superficies hidrofóbicas, esto es, que repelen los líquidos en su superficie, logrando confirmaciones experimentales de modelos sobre la tensión ejercida por la gota con la superficie en movimiento.

Esta medida es importante porque la tensión producida sobre la hoja «desfavorece» el movimiento. Es decir, cuanto más pequeña sea, más hidrofóbica es una superficie. Y además, saber cómo se comporta con la velocidad relativa del fluido sobre la superficie es fundamental si quieres calcular, o estimar, el rozamiento del fluido en la superficie. Y hasta ahora nadie había logrado observar las diferencias entre las diversas superficies hidrofóbicas con tanto nivel de detalle.

Figura 01. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Como indican en el artículo, una de las claves está en el método que tienen para poder medir las fuerzas. Como cualquier idea genial, es simplísima una vez que se cuenta, pero muy difícil de darse cuenta y de hacer: Usan un «cantilever», que parece ser se traduce por guía voladiza, pegada a la gota. Es decir, una finísima barra de cristal, concretamente un tubo capilar, se acerca con cuidad extremo a la gota del líquido sobre la superficie para poder medir la flexión en el tubo de cristal, y por aplicación directa de la ley de Hooke ( F = k Δx ) sacan del desplazamiento la fuerza, fijaos en la figura 1. La otra opción genial es deslizarla  un ángulo determinado y comprobar su dinámica en el tiempo, su x(t), que es muy distinta según la gota esté sometida o no a una fuerza constante o a ninguna fuerza.

Con el segundo método se obtiene la segunda figura, donde los desplazamientos a lo largo del tiempo evidencian las fuerzas a las que se somete la gota por la superficie en la que se desliza.

Figura 02. x(t) para las tres superficies estudiadas. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Las tres superficies hidrofóbicas estudiadas son las más comunes:

  • Una superficie conformada con pilares nanométricos para atrapar el aire y generar menos arrastre de la gota,
  • Una superficie con «cepillos moleculares», que debido a las proteínas que forman la superficie impiden el paso del líquido y
  • Una superficie lubricada con un aceite, lo que provoca un mayor deslizamiento de la gota del agua por la superficie.
Los tres tipos de superficies hidrofóbicas estudiadas en el artículo.
De PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

La figura 03 muestra un ejemplo de los tres tipos de superficies. El artículo original está aquí, y salió publicado en la revista Physical Review Letters.

Superficies hidrofóbicas que aguanten sumergidas

Uno de los mayores problemas del transporte de líquidos en general y del transporte en líquidos, es decir, del transporte marítimo, es el alto rozamiento del fluido en estado líquido. De hecho, al transportar líquido por una tubería existe el problema de que una parte importante de la energía que se le proporciona al fluido se tiene que emplear en eliminar el rozamiento del líquido con la tubería que lo transporta.

En ambos casos una solución muy elegante consiste en colocar un fluido en estado gas entre el líquido que se mueve y la superficie sólida contra la que se mueve. Entonces, el rozamiento desciende muchísimo porque lo que roza es el sólido contra un gas y un gas contra un líquido. El problema es «sujetar» el gas cerca del sólido. El muy desgraciado del gas tiene a escaparse hacia el líquido, promoviendo de nuevo ese contacto líquido-sólido que sería deseable evitar.

Una forma de mantener el gas cerca de la superficie sólida es el uso de cavidades de tamaño nanométrico, donde en principio el gas se queda algo más de tiempo. El problema es que al moverse el líquido respecto a la superficie, y simplemente por la presión del líquido, se acaba llenando de líquido la nanocavidad con gas. Hasta ahora, si ahora es el 2014, claro. En el artículo PRL-vol113-136103(2014) se presenta un modelo capaz de predecir si el aire (gas empleado) se quedará atrapado en la ranura empleada o no. Y se demuestra que el modelo es válido con una ranura real.

Según el modelo que se presenta en el artículo, la clave para lograr que una ranura «atrape» aire por un tiempo indefinido (más de 50 días en el experimento) es la altura que el agua, o líquido, tiene sobre la ranura, de forma que hay un altura crítica a partir de la cual se moja la ranura.  Las buenas noticias son que esa altura crítica depende de la anchura de la ranura, las malas que la altura crítica máxima es del orden de los centímetros, lo que dado que un barco se sumerge metros, implica que el uso de estos sistemas para evitar rozamiento queda descartado.

Sin embargo, es un gran experimento que creo interesante reseñar porque presenta datos y modelos sencillos y elegantes para entender un problema muy complejo. La esencia de la física bien hecha. El montaje experimental es el de la figura siguiente:

Montaje experimental. Artículo PRL-Vol311-136103(2014)

La figura de la izquierda muestra una ranura con las dimensiones y convenciones empleadas en el artículo, mientras que en la derecha se observa un esquema del sistema experimental. Con este montaje experimental, observar si la ranura se moja o no es cuestión de explorar imágenes proporcionadas por una cámara ajustada a la lente de la figura anterior, con lo que se obtienen gráficas como la siguiente, donde se muestra lo que pasa con altura de líquido por debajo de la crítica, es decir, con el aire atrapado de manera estable y con una altura por encima de ese valor, lo que implica que el aire no permanece en la ranura:

Permanencia o no del aire en la ranura. Artículo PRL-Vol311-136103(2014)

La forma de medir si hay aire o no es mediante la posición del menisco que se forma en la ranura. La gráfica presenta la distancia máxima de ese menisco desde el comienzo de la ranura hasta su fondo. Cuando llega a unos 80 micras, llega al fondo de la ranura. Fíjense que cuando al altura del agua es superior a la crítica, la ranura se moja, esto es, se vacía de aire en «sólo» ocho horas, mientras que para una altura de agua por debajo de la crítica, la ranura permanece indefinidamente llena de aire. Observen además la fantástica coincidencia entre el modelo y los datos experimentales, que indica que el modelo acierta en sus predicciones.