Gotas de agua electrificadas

La electrostática influye en el movimiento de las gotas sobre las superficies

20.04.2022 - Alemania

Algo tan sencillo como el movimiento de las gotas de agua sobre las superficies debería entenderse, cabría pensar. De hecho, todavía hay numerosas preguntas sin respuesta sobre las fuerzas que actúan sobre una gota que se desliza. Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, en colaboración con colegas de la Universidad Técnica de Darmstadt, ha descubierto ahora: Además de la energía superficial y la fricción viscosa dentro de la gota, la electrostática también desempeña un papel importante. Los resultados se han publicado recientemente en la revista Nature Physics.

Las gotas de lluvia golpean la ventanilla del coche y el viento empuja las gotas hacia un lado. Aún hoy nadie ha podido predecir con precisión cómo se mueven las gotas en el parabrisas. Sin embargo, esa comprensión es importante en numerosos ámbitos, como la conducción autónoma: Por ejemplo, las cámaras instaladas en el parabrisas deben vigilar la carretera y la situación del tráfico; para ello, la superficie del parabrisas debe estar diseñada de tal manera que las gotas sean arrastradas completamente por la corriente de aire y la vista permanezca despejada incluso bajo la lluvia. Otros ejemplos de signo contrario son las aplicaciones en las que las gotas deben adherirse a las superficies, como la pintura en spray o los pesticidas.

"Hasta ahora se suponía que la capa superficial era la responsable de cómo se mueve la gota en una superficie, es decir, las primeras capas moleculares", explica el profesor Hans-Jürgen Butt, director del departamento de "Física de las Interfaces" del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros. Por ejemplo, depende de la superficie si se forma una gota esférica o plana. Si a la gota le gusta la superficie, se presiona sobre ella para hacer el mayor contacto posible. Si no le gusta la superficie, como en el caso del conocido efecto loto, se enrosca. También quedó claro que cuando una gota se mueve, se produce una fricción viscosa -es decir, una fricción entre las moléculas de agua individuales- dentro de la gota, que también influye en su movimiento.

La electrostática provoca diferencias de velocidad

El equipo de investigadores del MPI para la Investigación de Polímeros descubrió que ni las fuerzas capilares ni las viscoelásticas pueden explicar las diferencias en la velocidad a la que se mueven las gotas a través de distintas superficies. El hecho de que las gotas se desplacen a distintas velocidades sobre distintos sustratos -incluso si éstos tienen un recubrimiento superficial idéntico, donde no cabría esperar diferencias- planteó dudas. Por eso, los investigadores introdujeron primero una misteriosa "fuerza extra". Para localizarla, Xiaomei Li, estudiante de doctorado del departamento de Hans-Jürgen Butt, organizó una carrera de gotas. "Filmé las gotas sobre diferentes sustratos, extraje los perfiles de velocidad y aceleración de su movimiento, calculé las fuerzas que ya se conocían para calcular la fuerza que aún no habíamos contemplado", explica.

El resultado sorprendente: la fuerza calculada coincide con una fuerza electrostática que los investigadores describieron por primera vez en un modelo hace unos años. "Al comparar los resultados experimentales con este modelo numérico, podemos explicar las trayectorias de las gotas que antes eran confusas", dice el profesor Stefan Weber, jefe de grupo del departamento de Butt.

Si las gotas, antes neutras, se deslizan sobre un aislante, pueden cargarse eléctricamente: Así que la electrostática juega un papel importante en este caso. En cambio, sobre un sustrato conductor de la electricidad, la gota devuelve inmediatamente su carga al sustrato. "La fuerza electrostática, que nadie había tenido en cuenta hasta ahora, tiene por tanto una gran influencia: hay que tenerla en cuenta para el agua, los electrolitos acuosos y el etilenglicol en todas las superficies hidrofóbicas probadas", resume Weber. El equipo de investigación ha publicado ahora los resultados en la revista Nature Physics. Estos resultados mejorarán el control del movimiento de las gotas en muchas aplicaciones que van desde la impresión a la microfluídica o la gestión del agua a la generación de energía mediante minigeneradores basados en gotas.

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