Las gotas de agua no se desprenden de las superficies amorfas en condiciones de congelación como lo hacen a temperatura ambiente debido a las fuertes interacciones entre las gotas y la superficie y a la falta de vías de transferencia de energía. Dado que las gotas o el hielo acumulados deben eliminarse manualmente o con equipos mecánicos, lo cual es costoso e ineficiente, prevenir el crecimiento de gotas en las superficies es científicamente interesante y prácticamente importante. Investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) han desarrollado un mecanismo de congelación de gotas autopropulsado que permite que las gotas se alejen por sí solas, lo que conduce a aplicaciones tecnológicas rentables y prometedoras.
Publicado en Ingeniería Química de la Naturaleza Como artículo de portada en su edición anterior de diciembre, el proyecto de investigación “Eyección de gotas congeladas mediante pilares flexibles tipo resorte” dirigido por el Prof. Xuancai Wang, Vicepresidente Asociado (Investigación e Innovación), Kwok Group, Prof. Ingeniería inspirada en la naturaleza y Profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica de PolyU y profesor Haimin YAO, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica de PolyU. Los primeros coautores incluyen al becario postdoctoral Dr. Huan Huan Zhang, el estudiante de doctorado Sr. Wei Zhang, el profesor asistente de investigación Dr. Yuankai Jin y el estudiante de doctorado Sr. Chenyang Wu Yu.
El descubrimiento del fenómeno de autodescarga en las gotas heladas se inspiró en un hongo que puede desalojar sus esporas mediante la expansión de volumen inducida por la ósmosis. Al observar que se produce una expansión de volumen similar cuando las gotas de agua se congelan, el equipo de investigación replicó el mecanismo de autodisparo que se encuentra en los hongos y contrastó los pilares con forma de resorte y el contraste humectante para desarrollar una superficie elástica estructurada (SES) que permite la extrusión espontánea. de gotas de agua congelada.
La estructura SES está diseñada para acelerar la velocidad de inyección y amplificar la conversión de energía cinética de las gotas congeladas. Cuando la gota congelada sufre una expansión de volumen, comprime el pilar SES. El trabajo de expansión de volumen se convierte primero y se almacena como energía elástica en la columna en decenas de segundos, y luego se convierte rápidamente en energía cinética de la gota en milisegundos. Esta reducción de mil veces en las escalas de tiempo conduce a suficiente energía cinética para impulsar la eyección de gotas congeladas.
La estructura simple de SES, después del diseño paramétrico, es efectiva para expulsar gotas heladas sin aporte de energía externa y también contra las fuerzas del viento y la gravedad. Se puede aplicar a aviones, palas eólicas o líneas de cables para evitar los peligros derivados de la deriva del hielo. El Dr. Huanhuan Zhang dijo: “Es emocionante haber introducido por primera vez el concepto de remoción de nieve autopropulsada, que ofrecerá una amplia gama de soluciones innovadoras para satisfacer las necesidades de la sociedad a una escala diferente y a un costo menor. “
Además, el modelo teórico desarrollado en la investigación ilustra los factores que determinan el inicio exitoso del fenómeno de emisión de gotas heladas, y el diseño escalable muestra una aplicabilidad potencial en varios campos.
El profesor Wang imaginó: “Esta investigación inspirada en la naturaleza allanó el camino para una serie de aplicaciones efectivas. Creemos que la eyección de gotas congeladas, como prototipo, se puede utilizar como concepto y método autopropulsado para una amplia gama de propósitos. podría estimular el desarrollo de aplicaciones como el deshielo, la recolección de energía y aplicaciones de robótica blanda”.
En particular, la inyección de gotas debido a la expansión del volumen mejora la comprensión de la dinámica de congelación multifásica para aplicaciones antihielo. El profesor Yao comentó: “Nuestra investigación demuestra una estrategia para aprovechar y utilizar eficazmente la función de expansión de volumen de las gotas congeladas para generar movimiento balístico. Catapultas robóticas blandas”.
