Si has visto gotas de agua bailar y moverse en una sartén o plancha caliente, has experimentado el efecto Leidenfrost en acción. O puede que hayas visto el episodio de «Cazadores de mitos», en el que Adam y Jamie metieron sus dedos y manos mojados en plomo fundido y los sacaron ilesos.
El efecto se basa en que el dedo está mojado, por lo que tiene una película de agua sobre él y alrededor. En el plomo fundido, esa película de agua hierve y crea vapor, que es un mal conductor del calor. Ese gas, que es vapor de agua, aísla el dedo lo suficiente como para protegerlo durante un breve período de tiempo cuando se sumerge en el plomo fundido, a 328ºC o más.
Del mismo modo, una gota de agua en un plato caliente se evapora en su borde inferior, creando un colchón aislante que mantiene la gota levitando como líquido durante una sorprendente cantidad de tiempo. Fue descrito por primera vez por el médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost en 1751.
En los casos más interesantes, las gotas rebotaban entre sí. Esto sucedía cuando las gotitas eran de diferentes líquidos, por ejemplo, agua-etanol o agua-acetonitrilo. Cada uno levitó a partir de su propio efecto Leidenfrost
Ahora, un grupo de científicos de México y Francia han publicado por primera vez los resultados de experimentos que muestran que dos gotas calientes de diferentes líquidos también pueden rebotar entre sí debido al efecto Leidenfrost. El grupo llama a esto un triple efecto Leidenfrost, ya que ambas gotas ya están en un plato caliente experimentando su propio efecto Leidenfrost con respecto al plato, y un efecto Leidenfrost adicional cuando chocan y rebotan entre sí, desarrollando un tercer colchón de vapor en la interfaz de colisión entre las gotas.
En los experimentos, la placa de aluminio caliente tenía una superficie superior ligeramente cóncava para mantener las gotas hacia el centro de la placa. Para gotas de agua de 0,5 ml de volumen (0,5 cc), las gotas entraron en un estado Leidenfrost a una temperatura de la placa de 210ºC. En ese momento, la gota duró unos 450 segundos (7,5 minutos) debido al gran calor latente del agua (la cantidad de calor necesaria para cambiar el agua de líquido a gas a temperatura constante). Después de eso, la gota se evaporó por completo y desapareció, se convirtió en vapor de agua.
Otros líquidos tuvieron diferentes temperaturas de Leidenfrost y tiempos de duración: las gotas de etanol entraron en el estado de Leidenfrost a unos 150ºC y duraron unos 200 segundos, y el cloroformo a unos 150ºC durante 100 segundos. La investigación se realizó en Puebla, México, a unos 2.200 metros sobre el nivel del mar, donde, por ejemplo, el punto de ebullición del agua era de sólo 93ºC. Otras propiedades termodinámicas pueden tener ajustes similares.
Vídeo de dos gotas que levitan y colisionan
En el vídeo, puede verse una pequeña gota azul de etanol en una placa de aluminio caliente, que rebotó repetidamente en una gota de agua clara más grande, exhibiendo tres efectos diferentes de Leidenfrost al mismo tiempo. Eventualmente, la gota azul disminuye de tamaño y se vuelve esférica y su capa de vapor puede evacuarse y las gotas se unen. Crédito: F. Pacheco-Vázquez, R. Ledesma-Alonso, J. L. Palacio-Rangel y F. Moreau.
Después de que los investigadores determinaran las temperaturas de Leidenfrost para 11 líquidos de baja viscosidad, cada uno con diferentes temperaturas de ebullición, depositaron dos gotas de diferentes materiales en la placa de aluminio caliente con una temperatura de 250ºC. Cada gota experimentó su propio efecto Leidenfrost con una capa de vapor debajo, levitando mientras bajaba hacia el centro de la placa. Cerca de allí, las gotas que levitaban colisionarían.
En ese instante, sucedía una de dos cosas: las gotas se fusionaban o rebotaban entre sí. La coalescencia ocurría en milisegundos si los líquidos eran de la misma sustancia, como agua-agua, o si tenían propiedades similares, por ejemplo, etanol-isopropanol.
Existe la posibilidad de manipular el efecto Leidenfrost en gotas para aplicaciones en ingeniería y microfluidos
En los casos más interesantes, las gotas rebotaban entre sí. Esto sucedía cuando las gotitas eran de diferentes líquidos, por ejemplo, agua-etanol o agua-acetonitrilo. Cada uno levitó a partir de su propio efecto Leidenfrost. Pero un colchón de vapor también rodeaba cada gota por su lado, así que cuando las gotas chocaron, había un colchón de vapor allí que impedía la fusión de las gotas. De hecho, la velocidad de rebote de una gota a veces podría ser mayor que su velocidad de impacto, porque la presión en la capa de vapor entre las gotas se vio reforzada por la capa de Leidenfrost de ambas gotas. Esta misma capa de vapor es lo que impidió la coalescencia inicial.
Las gotas más pequeñas rebotaron repetidamente en la gota más grande durante varios segundos, a veces minutos (como puede verse en el vídeo). Eventualmente, la gota más pequeña cambió de una forma de tortita a una forma esférica, cuando su capa de vapor fue evacuada durante el tiempo de colisión y las gotas finalmente se fusionaron. La filmación del proceso a alta velocidad reveló que el diámetro de la gota más pequeña disminuyó linealmente con el tiempo antes de fusionarse.
Otras dinámicas
Sólo dos parámetros determinaron las condiciones para la coalescencia directa o rebote: la diferencia de tensiones superficiales entre los líquidos (la tensión superficial es una propiedad inherente de un líquido, medida en fuerza por unidad de longitud) o la diferencia en las temperaturas de ebullición. Cuando la diferencia en los puntos de ebullición era grande, la gota más pequeña podía explotar violentamente, como en la combinación glicol-cloroformo.
En los últimos años se han explorado otras dinámicas basadas en el efecto Leidenfrost, como la autopropulsión de gotas, rotaciones sostenidas, oscilaciones y gotas explosivas, lo que sugiere la posibilidad de manipular el efecto Leidenfrost en gotas para aplicaciones en ingeniería y microfluidos. Este trabajo actual de comprender cómo interactúan las gotas de Leidenfrost de diferentes líquidos agrega otra dimensión a las aplicaciones potenciales.
Fuente: Physical Review Letters.
