Científicos han descubierto cómo hacer que discos de hielo congelados se desplacen por una superficie metálica con patrón de forma autónoma, según un nuevo artículo publicado en la revista ACS Applied Materials and Interfaces. Este avance proviene del laboratorio del ingeniero mecánico Jonathan Boreyko en Virginia Tech.
Hace unos años, el laboratorio de Boreyko demostró experimentalmente un efecto Leidenfrost en las tres fases del agua: vapor, agua líquida y hielo. Este efecto ocurre cuando se vierten unas gotas de agua sobre una sartén muy caliente, permitiendo que las gotas leviten y se deslicen por la superficie. Si la superficie está a al menos 400° Fahrenheit (bien por encima del punto de ebullición del agua), se forman cojines de vapor de agua debajo de ellas, manteniéndolas levitadas. Este efecto también se presenta con otros líquidos, como aceites y alcohol, aunque la temperatura a la que se manifiesta varía.
El laboratorio de Boreyko descubrió que este efecto también se puede lograr en hielo al colocar un disco delgado de hielo sobre una superficie de aluminio caliente. Cuando la placa se calienta por encima de 150° C (302° F), el hielo no levita sobre un vapor como lo hace el agua líquida. En su lugar, se requiere un umbral significativamente más alto de 550° Celsius (1,022° F) para que ocurra la levitación del hielo. A menos que se alcance ese umbral crítico, el agua derretida debajo del hielo sigue hirviendo en contacto directo con la superficie. Al superar ese punto crítico, se produce un efecto Leidenfrost en tres fases.
La clave radica en un diferencial de temperatura en el agua derretida justo debajo del disco de hielo. La parte inferior del agua derretida está hirviendo, pero la parte superior se adhiere al hielo. Mantener una diferencia tan extrema de temperatura consume la mayor parte del calor de la superficie de aluminio, lo que hace que sea más difícil lograr la levitación de un disco de hielo. El hielo puede suprimir el efecto Leidenfrost incluso a temperaturas muy altas (hasta 550° C), lo que significa que usar partículas de hielo en lugar de gotas líquidas sería más beneficioso para muchas aplicaciones que implican enfriamiento rápido, como en plantas de energía nuclear o en la lucha contra incendios.
Rocas en movimiento misteriosas
Los investigadores se inspiraron en las famosas “rocas navegantes” del Valle de la Muerte en Racetrack Playa. Rocas del tamaño de sandías están esparcidas por el lecho seco del lago, dejando huellas en la tierra agrietada mientras migran lentamente unos cientos de metros cada temporada. Los científicos no entendieron lo que sucedía hasta 2014. Aunque el coautor Ralph Lorenz (Universidad Johns Hopkins) admitió que pensó que su experimento sería “el más aburrido de todos”, dos años después, las rocas comenzaron a moverse mientras la playa estaba cubierta por un estanque de agua de unos pocos centímetros de profundidad.
Así, Lorenz y sus coautores pudieron identificar finalmente el mecanismo. El suelo es demasiado duro para absorber la lluvia, y esa agua se congela cuando la temperatura baja. Cuando las temperaturas vuelven a subir, el hielo comienza a derretirse, creando balsas de hielo flotando sobre el agua derretida. Y cuando los vientos son lo suficientemente fuertes, hacen que las balsas de hielo se desplacen por la superficie.
Boreyko afirmó: “La naturaleza necesitaba viento para empujar la roca y el hielo sobre el agua derretida que había debajo del hielo. Pensamos, ¿qué pasaría si pudiéramos tener una idea similar de hielo derritiéndose que se mueve en dirección, pero usando una estructura diseñada para que ocurra de forma espontánea sin necesidad de energía, viento o nada activo?”
El equipo fabricó sus discos de hielo vertiendo agua destilada en platos de Petrie de policarbonato térmicamente aislados. Esto resultó en un congelamiento de abajo hacia arriba, lo que minimiza las burbujas de aire en el hielo. Luego, fresaron surcos asimétricos en placas de aluminio sin recubrimiento en un patrón de espiga, creando esencialmente canales en forma de flecha, y luego los unieron a placas calientes a la temperatura deseada. Cada disco de hielo se colocó sobre la placa con pinzas de goma, y los experimentos se filmaron desde varios ángulos para capturar completamente el comportamiento del disco.
El patrón de espiga es clave. “La direccionalidad es lo que realmente empuja el agua”, dijo Jack Tapocik, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Boreyko. “La espiga no permite que el agua fluya hacia atrás, el agua tiene que ir hacia adelante, y eso básicamente empuja el agua y el hielo juntos hacia adelante. No tenemos una superficie tratada, por lo que el agua simplemente se queda en la parte superior y el hielo se mueve como una unidad.”
Boreyko hace una analogía con el tubing en un río, excepto que son los canales direccionales, en lugar de la gravedad, los que causan el flujo. “Puedes ver [en el video a continuación] cómo simplemente sigue el agua derretida”, dijo. “Este es tu clásico mecanismo de entrainment donde si el agua fluye de esa manera y estás flotando sobre el agua, también irás en la misma dirección. Es básicamente la misma idea que hace que una gota de Leidenfrost también se mueva en una dirección: tiene un flujo de vapor por debajo. La única diferencia es que era un líquido flotando sobre un flujo de vapor, mientras que ahora tenemos un sólido flotando sobre un flujo líquido. Las densidades y viscosidades son diferentes, pero la idea es la misma: tienes una fase más densa que flota sobre una fase más ligera que fluye en dirección.
En experimentos posteriores, el equipo recubrió la superficie de aluminio con un spray repelente al agua, esperando acelerar la propulsión del disco. En cambio, encontraron que el disco terminó pegándose a la superficie tratada antes de lanzarse repentinamente a través de la placa metálica.
“Es un concepto totalmente diferente con una física totalmente diferente, y es mucho más interesante”, dijo Tapocik. “A medida que el hielo se derrite en estas superficies tratadas, el agua simplemente no quiere quedarse dentro de los canales. Quiere estar en la parte superior debido al recubrimiento [hidrofóbico]. El hielo se adhiere directamente a la superficie, a diferencia de antes cuando flotaba. Se forma un charco alargado frente a él. El lugar más fácil [para el hielo] es en el centro de este charco largo. Así que se re-centra, y eso es lo que lo mueve hacia adelante como una resortera.”
Una posible aplicación es la recolección de energía. Por ejemplo, se podría diseñar la superficie metálica en un círculo en lugar de una línea recta para que el disco de hielo derretido gire continuamente. Si se colocan imanes en el disco, también girarían y generarían energía. Se podría incluso acoplar una turbina o engranaje al disco giratorio.
El efecto también podría proporcionar un medio más eficiente energéticamente para descongelar, un interés de investigación de larga data para Boreyko. “Si tuvieras una superficie en espiga con un problema de escarcha, podrías derretir la escarcha, incluso parcialmente, y usar estos flujos direccionales para lanzar el hielo fuera de la superficie”, dijo. “Eso es más rápido y usa menos energía que tener que derretir completamente el hielo en agua pura. Estamos viendo una posible reducción de más de diez veces en los requisitos de calefacción si solo tienes que derretir parcialmente el hielo.”
A pesar de ello, Boreyko comentó: “La mayoría de las aplicaciones prácticas no comienzan conociendo la aplicación de antemano. Comienza con ‘Oh, ese es un fenómeno realmente interesante. ¿Qué está pasando aquí?’. Solo después se descubre que se puede usar para mejorar el descongelamiento de intercambiadores de calor para bombas de calor. Solo creo que es divertido decir que podemos hacer que un pequeño disco de hielo que se derrite se desplace de repente por la mesa. Es una forma interesante de captar tu atención y pensar más sobre el derretimiento y el hielo y cómo funciona todo esto.”
DOI: ACS Applied Materials and Interfaces, 2025. 10.1021/acsami.5c08993 (Acerca de los DOI).
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