22.11.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

Una visión a nanoescala de la formación de burbujas

Un nuevo modelo describe ahora el proceso de ebullición con mucha más precisión

Cuando un líquido hierve en un recipiente, se forman pequeñas burbujas de vapor en el fondo y suben, transfiriendo calor en el proceso. Hasta ahora no se sabía con detalle cómo crecen estas pequeñas burbujas y cómo se desprenden. Ahora, un equipo de investigación germano-chino dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha conseguido ampliar fundamentalmente este conocimiento. Gracias a la simulación por ordenador, los expertos han conseguido modelizar el comportamiento de las moléculas en la interfaz líquido-gas a escala nanométrica, lo que les ha permitido describir el proceso de ebullición con extrema precisión. Los hallazgos podrían aplicarse a futuros sistemas de refrigeración de microprocesadores o a la producción de hidrógeno neutro en carbono, conocido como hidrógeno verde, según informa el equipo en el "Journal of Colloid and Interface Science".

La forma en que las gotas o burbujas de vapor mojan una superficie depende del tipo y la naturaleza del material de la superficie. Por ejemplo, las gotas esféricas se forman en materiales hidrofóbicos, con un área de contacto mínima con la base. En cambio, con materiales hidrofílicos, el líquido tiende a crear depósitos planos: la interfaz sólido-líquido es entonces mucho mayor. Estos procesos pueden describirse teóricamente mediante la ecuación de Young-Laplace. Esta ecuación arroja 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 de un líquido en ebullición, queda una película muy fina de líquido -invisible para el ojo- debajo de ella. Esta película determina cómo crece la burbuja y cómo se desprende de la pared. El ángulo de contacto también desempeña un papel fundamental a este respecto.

La teoría subyacente se basa en un enfoque relativamente sencillo. "Tiene en cuenta tanto la presión ejercida externamente por el líquido como la presión de vapor en el interior de la burbuja", explica el profesor Uwe Hampel, jefe de Dinámica de Fluidos Térmicos Experimentales del HZDR. "Luego está la presión capilar, que se crea por la curvatura de la superficie de la burbuja". Recientemente, sin embargo, una serie de experimentos realizados con mediciones láser han demostrado que esta teoría establecida falla en el caso de gotas y burbujas muy pequeñas: en la nanoescala, los ángulos de contacto medidos se desviaban significativamente en algunos casos de las predicciones teóricas.

Una compleja interacción de moléculas

Para resolver este problema, el equipo de investigación germano-chino se propuso revisar la teoría. Para ello, examinaron más de cerca los procesos que se producen cuando un líquido hierve. "Consideramos en detalle el comportamiento interfacial de las moléculas", explicó el Dr. Wei Ding, investigador del HZDR. "Luego utilizamos un ordenador para simular la interacción entre estas moléculas". Al hacerlo, el grupo de investigación descubrió una diferencia significativa respecto a enfoques anteriores: las fuerzas que actúan entre las moléculas no se suman simplemente de forma lineal. Por el contrario, la interacción es mucho más compleja y da lugar a distintos efectos no lineales. Estos son precisamente los efectos que los expertos consideran en su nueva teoría ampliada. "Nuestra hipótesis ofrece una buena explicación de los resultados obtenidos en experimentos recientes", declaró Ding con satisfacción. "Ahora tenemos una comprensión mucho más precisa del comportamiento de las diminutas gotas y burbujas de vapor".

Además de completar nuestra comprensión de la base teórica, los hallazgos también son una promesa de progreso en varias áreas de la tecnología, como la microelectrónica. En este ámbito, los procesadores son ahora tan potentes que desprenden cada vez más calor, que debe ser disipado por sistemas de refrigeración. "Existen ideas para eliminar este calor mediante la ebullición de un líquido", señala Uwe Hampel. "Con nuestra nueva teoría, deberíamos ser capaces de determinar las condiciones en las que las burbujas de vapor ascendentes pueden disipar la energía calorífica de forma más eficiente". Las ecuaciones también podrían ayudar a enfriar los elementos de combustible en un reactor nuclear de forma más eficaz 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. Durante la división del agua se forman innumerables burbujas de gas en las superficies de las membranas de un electrolizador. Con esta nueva teoría, parece concebible que se pueda influir en estas burbujas de forma más específica que antes, lo que permitiría una electrólisis más eficiente en el futuro. La clave de todas estas posibles aplicaciones reside en la selección y estructuración de los materiales adecuados. "Añadir nanoranuras a una superficie, por ejemplo, puede acelerar significativamente el desprendimiento de las burbujas de gas durante la ebullición", explicó Wei Ding. "Con nuestra nueva teoría, dicha estructuración puede ahora adaptarse con mayor precisión, un proyecto en el que ya estamos trabajando".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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