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

Uno pensaría que algo tan simple como el movimiento de las gotas de agua sobre las superficies debería entenderse realmente. 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 para la Investigación de Polímeros en colaboración con colegas de TU Darmstadt ahora ha descubierto: además de la energía superficial y la fricción viscosa dentro de la gota, la electrostática también juega un papel importante. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Física de la naturaleza.

Las gotas de lluvia golpean la ventana del auto y el viento empuja las gotas hacia un lado. Incluso hoy en día, nadie ha sido capaz de predecir con precisión cómo se mueven las gotas sobre el parabrisas. Sin embargo, tal comprensión es importante en numerosas áreas, como la conducción autónoma: por ejemplo, se supone que las cámaras instaladas en el parabrisas vigilan la carretera y la situación del tráfico; para esto, la superficie del parabrisas debe diseñarse de tal manera. una manera en que las gotas son completamente arrastradas por la corriente de aire y la vista permanece clara incluso bajo la lluvia. Otros ejemplos con el signo opuesto son aplicaciones en las que las gotas deben adherirse a superficies, como pintura en aerosol o pesticidas.

«Hasta ahora, se suponía que el revestimiento de la superficie era responsable de cómo se mueve la gota sobre una superficie, es decir, las primeras capas moleculares», dice el profesor Hans-Jürgen Butt, director de «Física de interfaces». departamento del Instituto Max Planck para la 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 aplana sobre ella para hacer el mayor contacto posible. Si no le gusta la superficie, como en el caso del conocido efecto loto, se encrespa. También quedó claro que cuando una gota se mueve, la fricción viscosa, es decir, la fricción entre las moléculas de agua individuales, ocurre dentro de la gota, lo que también influye en su movimiento.

La electrostática causa diferencias en la velocidad.

El equipo de investigadores del MPI for Polymer Research descubrió que ni las fuerzas capilares ni las viscoelásticas pueden explicar las diferencias en la velocidad a la que las gotas se mueven a través de diferentes superficies. Las preguntas surgieron en particular por el hecho de que las gotas corren a diferentes velocidades en diferentes sustratos, incluso si estos sustratos tienen un revestimiento superficial idéntico, donde no se esperarían diferencias. Por lo tanto, los investigadores introdujeron por primera vez una misteriosa «fuerza adicional». Para rastrearlo, Xiaomei Li, Ph.D. estudiante del departamento de Hans-Jürgen Butt, organizó una carrera de descenso. «Filmé las gotas en 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 visto», explica.

El resultado sorprendente: la fuerza calculada concuerda 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 trayectorias de gotas que antes eran confusas», dice Jun.-Prof. Stefan Weber, líder de grupo en el departamento de Butt.

Si las gotas previamente neutras se deslizan sobre un aislante, pueden cargarse eléctricamente: por lo tanto, la electrostática juega un papel importante allí. En un sustrato conductor de electricidad, por otro lado, la gota libera inmediatamente su carga al sustrato. «La fuerza electrostática, que nadie había considerado antes, tiene una gran influencia: debe tenerse 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 Física de la naturaleza. Estos resultados mejorarán el control del movimiento de las gotas en muchas aplicaciones que van desde la impresión hasta la microfluídica o la gestión del agua hasta la generación de energía a través de minigeneradores basados ​​en gotas.