Desentrañar los secretos del movimiento de las gotas

¿Cómo se mueven las gotas de agua sobre las superficies? Puede parecer sencillo, pero la verdad es que los científicos aún no conocen por completo las fuerzas que actúan sobre ellas. Los esfuerzos recientes por generar electricidad a partir de gotas en movimiento han hecho que salvar esta brecha del conocimiento resulte más vital.

Ahora, una investigación respaldada en parte por el proyecto DynaMo, financiado con fondos europeos, ha revelado que el movimiento de una gota no se ve afectado solo por la energía superficial y la fricción viscosa (la fricción entre las moléculas individuales de agua en una gota), como se creía. Parece ser que la energía electrostática también desempeña un papel fundamental. El estudio se publicó en la revista «Nature Physics».

«Hasta ahora, se suponía que el recubrimiento de la superficie, es decir, las primeras capas moleculares, era responsable de cómo se mueven las gotas sobre la superficie», explica el autor sénior del estudio, el catedrático Hans-Jürgen Butt, del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania), en una noticia publicada en «Phys.org». Se sabía que esto, junto con la fricción viscosa que se produce dentro de las gotas de agua cuando se mueven, influye en el movimiento de las gotas.Sin embargo, un experimento simple realizado por los investigadores mostró que el movimiento de las gotas no se puede predecir con precisión basándose solo en estas fuerzas. La primera evidencia fue que observaron distintas velocidades promedio en superficies con una química de superficie idéntica, pero diferentes conductividades y grosores de sustrato. Se descubrió que las gotas de agua se movían más rápido en superficies de oro recubiertas con una monocapa de perfluorodecanotiol o películas de teflón que en superficies de dióxido de silicio (SiO2) recubiertas con perfluorooctadeciltriclorosilano (PFOTS). La segunda evidencia fue que las velocidades de deslizamiento de una serie de gotas en una superficie concreta se vuelven dependientes del número de gotas y, por lo tanto, de la historia de la superficie. Por ejemplo, la quincuagésima gota se desliza más rápido que la primera por una placa de SiO2 recubierta con PFOTS.

Entonces, ¿cuál podría ser la fuerza que falta? «Filmé las gotas en diferentes sustratos, extraje los perfiles de velocidad y aceleración de su movimiento y calculé las fuerzas que ya se conocían para medir la fuerza que aún no habíamos visto», afirma Xiaomei Li, primer autor del estudio y doctorando del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros.

Basándose en sus observaciones, el equipo concluyó que la fuerza que faltaba debía ser la fuerza electrostática. La fuerza calculada coincide con una fuerza electrostática que habían descrito en un modelo anterior. «Al comparar los resultados experimentales con este modelo numérico, podemos explicar las trayectorias de gotas que antes eran confusas», señala el catedrático Stefan Weber, perteneciente al mismo instituto.

Cuando las gotas previamente neutras se deslizan sobre un aislante, pueden cargarse eléctricamente, pero, en un sustrato conductor de electricidad, la gota de agua libera inmediatamente su carga al sustrato. «Por lo tanto, la fuerza electrostática, que nadie había considerado con anterioridad, tiene una gran influencia: debe tenerse en cuenta para el agua, los electrolitos acuosos y el etilenglicol en todas las superficies hidrofóbicas probadas», concluye el catedrático Weber.

Los resultados del estudio respaldado por DynaMo (Dynamic charging at moving contact lines) podrían ayudar a mejorar el control del movimiento de las gotas en un amplio abanico de aplicaciones, como la impresión, la microfluídica, la gestión del agua y los nanogeneradores triboeléctricos.

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proyecto DynaMo