Clúster de gotitas
El racimo de gotitas es una monocapa levitante autoensamblada de microgotas generalmente dispuesta en una estructura ordenada hexagonalmente sobre una capa delgada de agua (aproximadamente 1 mm) calentada localmente. El grupo de gotitas es tipológicamente similar a los cristales coloidales . El fenómeno se observó por primera vez en 2004, [1] y se ha estudiado ampliamente después de eso. [2] [3]
Las gotas de condensación en crecimiento con un diámetro típico de 0.01 mm - 0.2 mm levitan a una altura de equilibrio, donde su peso se equilibra por la fuerza de arrastre del chorro de aire y vapor ascendente que se eleva sobre el lugar calentado. Al mismo tiempo, las gotas se arrastran hacia el centro del punto caliente; sin embargo, no se fusionan, formando un patrón hexagonal ordenado (el más denso) debido a una fuerza de presión aerodinámica repulsiva del flujo de gas entre las gotitas. La mancha generalmente se calienta con un rayo láser u otra fuente de calor a 60 ° C - 95 ° C, aunque el fenómeno se observó también a temperaturas ligeramente superiores a 20 ° C. [4] La altura de levitación y la distancia entre las gotas son del mismo orden que sus diámetros. [5]
Debido a la naturaleza compleja de las fuerzas aerodinámicas entre las microgotas en un chorro ascendente, las gotas no se fusionan, sino que forman una estructura hexagonal compacta cerrada que muestra similitud con varios objetos clásicos y recientemente descubiertos, donde la autoorganización es prominente, incluidas las figuras de respiración de agua, coloide y cristales de polvo, espumas , células de Rayleigh-Bénard y, hasta cierto punto, cristales de hielo . Las gotas se acumulan cerca del centro del área calentada donde la temperatura y la intensidad de los chorros de vapor ascendentes son más altas. Al mismo tiempo, existen fuerzas de repulsión de naturaleza aerodinámica entre las gotitas. En consecuencia, el grupo se empaqueta a sí mismo en la forma de empaque más densa (una forma hexagonalestructura de nido de abeja ) con una cierta distancia entre las gotas dependiendo de las fuerzas de repulsión. [5]
Al controlar la temperatura y el gradiente de temperatura, se puede controlar el número de gotas y su densidad y tamaño. Mediante la irradiación infrarroja, es posible suprimir el crecimiento de las gotas y estabilizarlas durante períodos de tiempo prolongados. [6]
Se ha sugerido que el fenómeno, cuando se combina con un estudio espectrográfico del contenido de gotitas, se puede utilizar para un análisis bioquímico in situ rápido. [7] Estudios recientes han demostrado que el cúmulo puede existir a temperaturas más bajas de aproximadamente 20 ° C, lo que lo hace adecuado para el análisis bioquímico de objetos vivos. [4]
Se pueden crear clústeres con un número pequeño arbitrario de gotitas. A diferencia de los grupos con una gran cantidad de gotas, los grupos pequeños no siempre pueden formar una estructura simétrica hexagonal. En cambio, producen varias configuraciones más o menos simétricas según el número de gotas. El rastreo de gotas individuales en pequeños grupos es crucial para posibles aplicaciones. La simetría, el orden y la estabilidad de estas configuraciones pueden estudiarse con una medida de autoorganización como la entropía de Voronoi. [8]
El fenómeno del grupo de gotas es diferente del efecto Leidenfrost porque este último ocurre a temperaturas mucho más altas sobre una superficie sólida, mientras que el grupo de gotas se forma a temperaturas más bajas sobre una superficie líquida. El fenómeno también se ha observado con líquidos distintos al agua.
Ver también
Referencias
- ^ Fedorets, AA (2004). "Cúmulo de gotitas". JETP Lett . 79 (8): 372–374. Código Bibliográfico : 2004JETPL..79..372F . doi : 10.1134 / 1.1772434 .
- ^ Shavlov, AV; Dzhumandzhi, VA; Romanyuk, SN (2011). "Propiedades eléctricas de las gotas de agua dentro del grupo gota a gota". Physics Letters A . 376 (1): 39–45. Código bibliográfico : 2011PhLA..376 ... 39S . doi : 10.1016 / j.physleta.2011.10.032 .
- ^ Umeki, T .; Ohata, M .; Nakanishi, H; Ichikawa, M. (2015). "Dinámica de microgotas sobre la superficie del agua caliente" (PDF) . J. Phys. Chem. Lett . 5 : 8046. arXiv : 1501.00523 . Código Bibliográfico : 2015NatSR ... 5E8046U . doi : 10.1038 / srep08046 . PMID 25623086 .
- ^ a b Fedorets, AA; Dombrovsky, LA; Ryumin, P. (2017). "Ampliación del rango de temperatura para la generación de grupos de gotas sobre la superficie del agua calentada localmente". En t. J. Transferencia de masa térmica . 113 : 1054–1058. doi : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2017.06.015 .
- ^ a b Fedorets, A; Frenkel, M .; Shulzinger, E .; Dombrovsky, LA; Bormashenko , E .; Nosonovsky, M. (2017). "Grupos levitantes autoensamblados de gotas de agua: formación de patrones y estabilidad" . Informes científicos . 7 (1): 1888–8913. Código Bibliográfico : 2017NatSR ... 7.1888F . doi : 10.1038 / s41598-017-02166-5 . PMC 5432495 . PMID 28507295 .
- ^ Dombrovsky, LA; Fedorets, AA; Medvedev, DN (2016). "El uso de irradiación infrarroja para estabilizar racimos levitantes de gotas de agua". Infrarrojos Phys. Technol . 75 : 124-132. Código bibliográfico : 2016InPhT..75..124D . doi : 10.1016 / j.infrared.2015.12.020 .
- ^ Fedorets, AA (2008). "Aplicación de un grupo de gotitas para visualizar flujos de gas y líquido a microescala". Dinámica de fluidos . 43 (6): 923–926. doi : 10.1134 / S0015462808060124 .
- ^ Fedorets, A; Frenkel, M .; Bormashenko , E .; Nosonovsky, M. (2017). "Pequeños racimos de gotas ordenadas levitando: estabilidad, simetría y entropía de Voronoi" . J. Phys. Chem. Lett . 8 (22): 5599–5602. doi : 10.1021 / acs.jpclett.7b02657 . PMID 29087715 .
enlaces externos
- Video: grupos de gotitas levitando sobre la superficie del agua caliente
- Clúster de gotitas
- Vídeo: grupos de gotitas
- Fenomeno fisico
- Transferencia de calor
- Microfluidos
