Cuando un líquido hierve en un recipiente, se forman pequeñas burbujas de vapor en el fondo y se elevan, transfiriendo calor en el proceso. Cómo estas pequeñas burbujas crecen y finalmente se separan no se conocía con gran detalle. Un equipo de investigación germano-chino bajo el liderazgo de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ahora ha logrado expandir fundamentalmente esta comprensión.

Usando simulación por computadora, los expertos lograron modelar el comportamiento de las moléculas en la interfaz líquido-gas a escala nanométrica, lo que les permitió describir el proceso de ebullición con extrema precisión. Los hallazgos podrían aplicarse a futuros sistemas de enfriamiento para microprocesadores, o a la producción de hidrógeno neutro en carbono, conocido como hidrógeno verde, como informó el equipo en el Journal of Colloid and Interface Science.

La forma en que las gotas o las burbujas de vapor humedecen una superficie depende del tipo y la naturaleza del material de la superficie. Por ejemplo, se forman gotas esféricas sobre materiales hidrofóbicos, con un área mínima de contacto con la base. Sin embargo, con los materiales hidrofílicos, el líquido tiende a crear depósitos planos; la interfaz sólido-líquido es entonces mucho más grande. Tales procesos pueden describirse teóricamente mediante la ecuación de Young-Laplace. Esta ecuación produce un ángulo de contacto que caracteriza el comportamiento de las gotas en la superficie : los ángulos grandes indican una mala humectación, mientras que los ángulos pequeños indican una buena humectación.

Cuando se forma una burbuja de vapor en una pared en un líquido hirviendo, una película muy delgada de líquido, invisible a la vista, permanece debajo de ella. Esta película determina cómo crece la burbuja y cómo se desprende de la pared. El ángulo de contacto también juega un papel clave a este respecto.

La teoría subyacente se basa en un enfoque relativamente simple. «Tiene en cuenta tanto la presión ejercida externamente por el líquido como la presión de vapor dentro de la burbuja», explicó el profesor Uwe Hampel, jefe de dinámica de fluidos térmicos experimentales en HZDR. «Luego está la presión capilar, que es creada por la curvatura de la superficie de la burbuja».

Recientemente, sin embargo, una variedad de experimentos que utilizan la medición láser han demostrado que esta teoría establecida falla para gotas y burbujas muy pequeñas: en la nanoescala, los ángulos de contacto medidos se desviaron significativamente en algunos casos de las predicciones teóricas.

Una interacción compleja de moléculas.

Para resolver este problema, el equipo de investigación germano-chino se dispuso a revisar la teoría. Para ello, observaron más de cerca los procesos que ocurren cuando hierve un líquido. «Consideramos en detalle el comportamiento interfacial de las moléculas», explicó el investigador de HZDR, el Dr. Wei Ding. «Luego usamos una computadora para simular la interacción entre estas moléculas».

Al hacerlo, el grupo de investigación descubrió una diferencia significativa con los enfoques anteriores: las fuerzas que actúan entre las moléculas no se suman simplemente de forma lineal. En cambio, la interacción es mucho más compleja, lo que da como resultado distintos efectos no lineales. Estos son precisamente los efectos que los expertos consideran en su nueva teoría ampliada.

«Nuestra hipótesis proporciona una buena explicación de los resultados obtenidos en experimentos recientes», afirmó Ding con alegría. «Ahora tenemos una comprensión mucho más precisa del comportamiento de las pequeñas gotas y las burbujas de vapor».

Además de completar nuestra comprensión de la base teórica, los hallazgos también prometen avances en varias áreas de la tecnología, como la microelectrónica. En esta área, los procesadores ahora son tan poderosos que emiten cantidades cada vez mayores de calor, que luego deben ser disipadas por los sistemas de enfriamiento.

«Hay ideas para eliminar este calor hirviendo un líquido», comentó Uwe Hampel. «Con nuestra nueva teoría, deberíamos poder determinar las condiciones bajo las cuales las burbujas de vapor ascendentes pueden disipar la energía térmica de manera más eficiente». Las ecuaciones también podrían ayudar a enfriar elementos combustibles en un reactor nuclear con mayor eficacia que en el pasado.

Producción de hidrógeno más eficiente

La electrólisis del agua para producir hidrógeno neutro en carbono, denominado hidrógeno verde, es otra aplicación potencial. Se forman innumerables burbujas de gas en las superficies de la membrana de un electrolizador durante la división del agua. Con esta nueva teoría, parece concebible que estas burbujas puedan ser influenciadas más específicamente que antes, permitiendo una electrólisis más eficiente en el futuro. La clave de todas estas posibles aplicaciones radica en la selección y estructuración de los materiales adecuados.

«Agregar nanoranuras a una superficie, por ejemplo, puede acelerar significativamente el desprendimiento de burbujas de gas durante la ebullición», explicó Wei Ding. «Con nuestra nueva teoría, tal estructuración ahora se puede adaptar más finamente, un proyecto en el que ya estamos trabajando».