Tecnologia Científica

Levitando e colidindo gotas la­quidas
Um grupo de cientistas do Manãxico e da Frana§a publicou pela primeira vez os resultados de experimentos que mostram que duas gotas quentes de la­quidos diferentes também podem ricochetear uma na outra devido ao efeito Leidenfrost entre elas
Por David Appell - 15/01/2022


Crédito: F. Pacheco-Va¡zquez, R. Ledesma-Alonso, J. L. Palacio-Rangel e F. Moreau, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.204501

Se vocêjá viu gotas de águadançarem e tremerem em uma panela ou chapa quente, vocêviu o efeito Leidenfrost em ação. Ou vocêpode ter visto o episãodio "Mythbusters", onde Adam e Jamie enfiaram seus dedos e ma£os molhadas em chumbo derretido e os puxaram para fora ilesos.

O efeito depende do dedo estar molhado, por isso tem uma pela­cula de águasobre e ao redor dele. No chumbo derretido, esse filme de águaferve, criando vapor, que éum mau condutor de calor. Esse gás, que évapor de água, isola o dedo por tempo suficiente para protegaª-lo por um curto período de tempo quando mergulhado no chumbo derretido, a 328 graus Celsius (622 graus Fahrenheit) ou mais.

Da mesma forma, uma gota de águaem uma placa quente evapora em sua borda inferior, criando uma almofada isolante que mantanãm a gota levitando como um la­quido por um período surpreendente de tempo. Foi descrito pela primeira vez pelo médico alema£o Johann Gottlob Leidenfrost em 1751.

Agora, um grupo de cientistas do Manãxico e da Frana§a publicou pela primeira vez os resultados de experimentos que mostram que duas gotas quentes de la­quidos diferentes também podem ricochetear uma na outra devido ao efeito Leidenfrost entre elas. O grupo chama isso de efeito triplo Leidenfrost, uma vez que ambas as gotas já estãoem uma placa quente experimentando seu pra³prio efeito Leidenfrost em relação a  placa, e um efeito Leidenfrost adicional quando colidem e ricocheteiam uma na outra, desenvolvendo uma terceira almofada de vapor em a interface de colisão entre as gotas.

Nos experimentos, a placa de aluma­nio quente tinha umasuperfÍcie superior levemente ca´ncava para manter as gotas em direção ao centro da placa. Para gota­culas de águade 0,5 ml de volume (0,5 cc), as gota­culas entraram no estado Leidenfrost a uma temperatura da placa de 210 graus Celsius. Nesse ponto, a gota durou cerca de 450 segundos (7,5 minutos) devido ao grande calor latente da água(a quantidade de calor necessa¡ria para mudar a águade um la­quido para um gás a temperatura constante). Depois disso, a gota evaporou completamente e desapareceu, transformando-se em vapor de a¡gua.

Outros la­quidos tinham diferentes temperaturas de Leidenfrost e tempos de duração: gota­culas de etanol entraram no estado Leidenfrost a cerca de 150 graus Celsius e duraram cerca de 200 segundos, e clorofa³rmio a cerca de 150 graus Celsius por 100 segundos. A pesquisa foi realizada em Puebla, Manãxico, a cerca de 2.200 metros (7.218 panãs, 1,37 milhas) acima doníveldo mar, onde, por exemplo, o ponto de ebulição da águaera de apenas 93 graus Celsius (199 graus Fahrenheit). Outras propriedades termodina¢micas podem ter ajustes semelhantes.

Depois que os pesquisadores determinaram as temperaturas Leidenfrost para 11 la­quidos de baixa viscosidade, cada um com diferentes temperaturas de ebulição, eles depositaram duas gota­culas de materiais diferentes na placa de aluma­nio quente com uma temperatura de 250 graus Celsius (482 graus Fahrenheit). Cada gota sofreu seu pra³prio efeito Leidenfrost com uma camada de vapor embaixo dela, levitando enquanto descia em direção ao centro da placa. Perto dali, as gota­culas levitantes colidiriam.
 
Naquele instante, uma de duas coisas aconteceu: as gota­culas coalesceram ou ricochetearam umas nas outras.

A coalescaªncia acontecia em milissegundos se os la­quidos fossem da mesma substância, como a¡gua-a¡gua, ou se tivessem propriedades semelhantes, por exemplo, etanol-isopropanol.

Nos casos mais interessantes, as gotas ricocheteavam umas nas outras. Isso acontecia quando as gota­culas eram de la­quidos diferentes, por exemplo, a¡gua-etanol ou água- acetonitrila. Cada um levitava de seu pra³prio efeito Leidenfrost. Mas uma almofada de vapor também cercava cada gota de lado, então quando as gotas colidiam, havia uma almofada de vapor la¡ que impedia a fusão das gotas. De fato, a velocidade de rebote de uma gota a s vezes pode ser maior do que sua velocidade de impacto, porque a pressão na camada de vapor entre as gotas foi aumentada pela camada Leidenfrost de ambas as gotas. Essa mesma camada de vapor éo que impediu a coalescaªncia inicial.

As gotas menores ricochetearam repetidamente na gota maior durante vários segundos, a s vezes minutos (veja o va­deo acima). Eventualmente, a gota menor mudou de uma forma de panqueca para uma forma esfanãrica, quando sua camada de vapor foi evacuada durante o tempo de colisão e as gotas finalmente coalesceram. Filmar o processo em alta velocidade revelou que o dia¢metro da gota menor diminuiu linearmente com o tempo antes de coalescer.

Apenas dois parametros determinaram as condições para coalescaªncia direta ou ressalto: a diferença nas tensaµes superficiais entre os la­quidos (a tensão superficial éuma propriedade inerente de um la­quido, medida em força por unidade de comprimento) ou a diferença nas temperaturas de ebulição. Quando a diferença nos pontos de ebulição era grande, a gota menor poderia explodir violentamente, como no glicol-clorofa³rmio.

Outras dina¢micas baseadas no efeito Leidenfrost tem sido exploradas nos últimos anos, como a autopropulsão de gota­culas, rotações sustentadas, oscilações e explosão de gota­culas, sugerindo a possibilidade de manipulação do efeito Leidenfrost em gota­culas para aplicações em engenharia e microflua­dica. Este trabalho atual de entender como as gotas Leidenfrost de diferentes la­quidos interagem adiciona outra dimensão a s aplicações potenciais.

 

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