A veces, los problemas más complejos se pueden resolver con los enfoques más simples. Tal fue el caso de los investigadores de la UC Santa Bárbara cuando intentaron resolver un problema de larga data de la fricción de los fluidos: la resistencia entre un objeto que se mueve a través de un fluido o, por el contrario, un objeto estacionario con un fluido que fluye a su alrededor o a través de él. También se conoce como arrastre.

« Habíamos construido una teoría, pero era un problema muy complicado », dijo el profesor de ingeniería mecánica Paolo Luzzatto-Fegiz. Su problema se refería en particular a las superficies superhidrofóbicas (SHS), que se consideran una posible solución al problema de la resistencia al avance, un fenómeno que reduce la eficiencia de las cosas que se desplazan por el agua, como los buques de carga, y aumenta el gasto de energía para bombear líquidos a través de ellas. tubería. Sus cálculos para un SHS efectivo abarcaron 10 parámetros complejos, pero resulta que la capacidad de predecir si un SHS funcionará según lo previsto se reduce a uno solo.

Su investigación se publica en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Entrar en el ritmo

Una superficie superhidrofóbica, explicó Luzzatto-Fegiz, está diseñada para minimizar el contacto entre la superficie y el fluido mediante la creación de pequeñas bolsas de aire. Un buen ejemplo de esto sería la col rizada fresca, cuando se sumerge en agua. Gracias a las estructuras microscópicas de la superficie, las hojas se cubrirían con un brillo plateado, una red de burbujas que evita que el agua toque la superficie de la hoja, también conocido como efecto loto.

Para las plantas, la superhidrofobicidad da como resultado un efecto de autolimpieza y ayuda a prevenir condiciones transmitidas por el agua, como infecciones fúngicas. Para superficies inanimadas, la misma propiedad reduce la resistencia. Pero si bien el concepto es sólido, en la práctica, el patrón de la superficie no tuvo el efecto deseado debido a los tensioactivos, compuestos que reducen la tensión entre el agua y el aire en las burbujas. En situaciones del mundo real, dijo Luzzatto-Fegiz, los surfactantes son inevitables, e incluso una pequeña cantidad puede ser suficiente para anular el rendimiento de un SHS.

En su esfuerzo por diseñar una superficie que supere el efecto de los tensioactivos, los investigadores tuvieron que lidiar con cálculos complejos que involucraban no solo la mecánica de fluidos (ya complicada), sino también la física de las moléculas de tensioactivo.

« Necesitábamos modelos de cómo se movían estas cosas dentro del agua, cómo saltaban desde el interior del agua hasta la interfaz, cómo se transportaban », dijo. Pero en el transcurso de sus experimentos, modelos y cálculos, surgió un parámetro que parecía anular a todos los demás: la longitud de las burbujas de aire.

« Cuando miramos las matemáticas, decidimos limitarnos a las cosas que podrían suceder plausiblemente », dijo Luzzatto-Fegiz. « Muchos de los parámetros no podrían cambiar tanto en realidad ». Con esta restricción, se dieron cuenta de que varios factores podrían cancelarse, dejando solo la escala de longitud de los pequeños surcos. En pocas palabras, cuanto más larga sea la pequeña rejilla que genera la bolsa de aire, menor será el efecto de las moléculas de surfactante.

Resulta que hay una longitud de bolsa de aire crítica, que depende del tipo de tensioactivo y de su concentración. « Si hace que la rejilla sea más larga, generalmente de unos 10 centímetros de largo, el surfactante no puede resistir el movimiento del fluido », dijo. « Y podría obtener esta reducción de resistencia ideal que la gente ha estado buscando durante 20 años ».

Con esos cálculos bien resueltos, los investigadores comenzarán a observar otros tipos de patrones de SHS, como publicaciones diminutas, así como otras situaciones de la vida real, como turbulencias y otros flujos inestables. Ser capaz de reducir la resistencia en una variedad de situaciones daría como resultado buques de carga más eficientes en combustible, bombas más efectivas y estructuras más resistentes en el agua que fluye.

La investigación en este artículo también fue realizada por el autor principal Fernando Temprano-Coleto (ahora becario postdoctoral en la Universidad de Princeton), Scott Smith y Frederic Gibou en UCSB, François Peaudecerf en ETH Zurich y Julien Landel en la Universidad de Manchester. La investigación cuenta con el apoyo del premio NSF #2048234.