La condensa potrebbe rovinare un tavolino da caffè in legno o appannare gli occhiali quando si entra in un edificio caldo in una giornata invernale, ma non sono tutti gli inconvenienti; il ciclo di condensazione ed evaporazione ha importanti applicazioni.

L'acqua può essere raccolta dall'"aria sottile, " o separato dal sale negli impianti di dissalazione mediante condensazione. Per il fatto che le goccioline condensanti portano con sé calore quando evaporano, fa anche parte del processo di raffreddamento nelle arene dei computer industriali e ad alta potenza. Tuttavia, quando i ricercatori hanno dato un'occhiata al nuovo metodo di condensazione, videro qualcosa di strano:quando un tipo speciale di superficie è ricoperto da un sottile strato di olio, le gocce d'acqua condensata sembravano volare casualmente sulla superficie ad alta velocità, fondendosi con goccioline più grandi, in schemi non causati dalla gravità.

"Sono così distanti, in termini propri, dimensioni relative"—le goccioline hanno un diametro inferiore a 50 micrometri—"e tuttavia vengono tirate, e muovendosi a velocità davvero elevate, " ha detto Patricia Weisensee, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis.

"Si stanno tutti muovendo verso le goccioline più grandi a velocità fino a 1 mm al secondo".

Weisensee e Jianxing Sun, un dottorato di ricerca candidato nel suo laboratorio, hanno determinato che il movimento apparentemente irregolare è il risultato di forze capillari sbilanciate che agiscono sulle goccioline. Hanno anche scoperto che la velocità delle goccioline è una funzione della viscosità dell'olio e della dimensione delle goccioline, il che significa che la velocità delle gocce è qualcosa che può essere controllata.

I loro risultati sono stati pubblicati online in Materia morbida .

Perché si stanno muovendo?

Nel tipo più comune di condensazione nell'industria, il vapore acqueo si condensa formando uno spesso strato di liquido su una superficie. Questo metodo è noto come condensazione "filmwise". Ma un altro metodo ha dimostrato di essere più efficiente nel promuovere la condensazione e il trasferimento di calore che ne deriva:la condensazione a gocce.

È stato utilizzato su superfici tradizionalmente idrofobe, quelle che respingono l'acqua come il rivestimento in teflon su una padella antiaderente. Però, queste tradizionali superfici non bagnanti si degradano rapidamente se esposte al vapore caldo. Anziché, alcuni anni fa, i ricercatori hanno scoperto che infondendo una superficie idrofoba ruvida o porosa con un lubrificante, come l'olio porta a una condensazione più rapida. È importante sottolineare che queste superfici infuse di lubrificante (LIS) hanno portato alla formazione di goccioline d'acqua molto mobili e più piccole, che sono responsabili della maggior parte del trasferimento di calore quando si tratta di condensazione ed evaporazione.

Durante il processo, però, il movimento delle gocce d'acqua sulla superficie sembrava irregolare e veloce. "Si muovono a una velocità davvero elevata per le loro dimensioni, "—circa 100 micron—"solo stando seduti lì, "Ha detto Weisensee.

"La domanda è, "Perché si stanno muovendo?" "

Utilizzando la microscopia ad alta velocità e l'interferometria per osservare il processo svolgersi, Weisensee e il suo team sono stati in grado di discernere cosa stava succedendo e le relazioni tra la dimensione delle goccioline, velocità e viscosità dell'olio.

Hanno creato vapore acqueo e hanno osservato la formazione di piccole goccioline sulla superficie. "Il primo processo è che le piccole goccioline si uniscono e formano goccioline più grandi, " disse Weisensee. Le forze capillari fanno sì che l'olio cresca e sopra le goccioline, formando un menisco, non il muscolo del ginocchio, ma piuttosto uno strato curvo di olio che circonda la gocciolina.

L'olio si muove continuamente, cercando di trovare un equilibrio poiché copre goccioline di dimensioni diverse in punti diversi sulla superficie, se qui si forma una goccia grande, il menisco si estende su di esso, facendo sì che lo strato di olio si contragga da qualche altra parte. Eventuali goccioline più piccole nell'area di contrazione vengono rapidamente trascinate verso le goccioline più grandi, portando a regioni ricche e povere di petrolio.

Durante il processo, goccioline più grandi stanno essenzialmente liberando lo spazio, che a sua volta fa spazio alla formazione di goccioline più piccole.

Poiché la maggior parte del trasferimento di calore (circa l'85%) avviene attraverso queste piccole goccioline, l'uso di LIS per la condensazione a gocce dovrebbe essere un modo più efficiente per disperdere il calore e ottenere acqua dal vapore. E poiché le goccioline sono molto piccole, meno di 100 micron di diametro, la condensa può verificarsi in un'area più piccola.

C'è un altro vantaggio, pure. Durante la condensazione "tradizionale", la gravità è la forza che libera l'acqua dalla superficie, facendo spazio alla formazione di nuove goccioline. La superficie è posta verticalmente, e l'acqua semplicemente scorre via. Poiché le forze capillari stanno facendo il lavoro nella condensazione a goccia su superfici infuse di liquido, però, l'orientamento della superficie non ha alcuna conseguenza.

"Potrebbe essere utilizzato su dispositivi personali, "dove l'orientamento è in continua evoluzione, lei disse, "o nello spazio". E poiché l'intero processo è più efficiente della condensazione tradizionale, Weisensee ha detto, "Questo potrebbe essere un bel modo per liberare lo spazio senza dover fare affidamento sulla gravità."

Andando avanti, Il team di Weisensee misurerà il trasferimento di calore per determinare se le goccioline più piccole durante la condensazione goccia a goccia su LIS sono, infatti, più efficiente. Hanno anche in programma di studiare diverse superfici per massimizzare il movimento delle gocce.