Si se echan unas cuantas gotas de agua en una sartén muy caliente y chisporroteante, levitarán y se deslizarán por la sartén con total libertad. Físicos de la Universidad Tecnológica de Virginia han descubierto que esto también puede conseguirse colocando un disco fino y plano de hielo sobre una superficie de aluminio caliente, según un nuevo artículo publicado en la revista Physical Review Fluids. El truco: hay que alcanzar una temperatura crítica mucho mayor para que el disco de hielo levite.
Como se ha dicho en otras publicaciones anteriormente, en 1756, un científico alemán llamado Johann Gottlob Leidenfrost informó de su observación del inusual fenómeno. Normalmente, observó, el agua salpicada en una sartén muy caliente chisporrotea y se evapora muy rápidamente. Pero si la temperatura de la sartén está muy por encima del punto de ebullición del agua, se forman “gotas brillantes que parecen de azogue” y se deslizan por la superficie. Se llama efecto Leidenfrost en su honor.
En los 250 años siguientes, los físicos dieron una explicación viable de por qué ocurre esto. Si la superficie tiene al menos 400 grados Fahrenheit (muy por encima del punto de ebullición del agua), se forman cojines de vapor de agua, o vapor, debajo de ellos, que los mantienen levitando. El efecto Leidenfrost también funciona con otros líquidos, incluidos los aceites y el alcohol, pero la temperatura a la que se manifiesta será diferente.
El fenómeno sigue fascinando a los físicos. Por ejemplo, en 2018, físicos franceses descubrieron que las gotas no se limitan a cabalgar sobre un colchón de vapor; mientras no sean demasiado grandes, también se propulsan. Esto se debe a un desequilibrio en el flujo de fluido dentro de las gotas de Leidenfrost, actuando como un pequeño motor interno. Las gotas grandes mostraban un flujo equilibrado, pero a medida que las gotas se evaporaban, haciéndose más pequeñas (alrededor de medio milímetro de diámetro) y más esféricas, se producía un desequilibrio de fuerzas. Esto hacía que las gotas rodaran como una rueda, ayudadas por una especie de efecto “trinquete” de una inclinación hacia abajo en la misma dirección en que fluía el fluido de la gota. Los físicos franceses bautizaron su descubrimiento como “rueda de Leidenfrost”.
En 2019, un equipo internacional de científicos finalmente identificó la fuente del sonido de crujido que acompaña a Leidenfrost informó. Los científicos descubrieron que depende del tamaño de la gota. Las gotas más pequeñas se desprenden de la superficie y se evaporan, mientras que las más grandes explotan con ese chasquido revelador. El culpable son las partículas contaminantes, presentes en casi cualquier líquido. Las gotas más grandes comienzan con una mayor concentración de contaminantes, y esa concentración aumenta a medida que las gotas se reducen. Acaban con una concentración tan alta que las partículas forman lentamente una especie de caparazón alrededor de la gota. Esa cáscara interfiere con el colchón de vapor que mantiene la gota en el aire, y ésta explota cuando llega a la superficie.
Y el año pasado, los científicos del MIT determinaron por qué las gotas son impulsadas a través de una superficie aceitosa calentada 100 veces más rápido que sobre el metal desnudo. En las condiciones adecuadas, se formaba una fina capa fuera de cada gota, como un manto. A medida que la gota se calentaba, empezaban a formarse minúsculas burbujas de vapor de agua entre la gota y el aceite, que luego se alejaban. Las burbujas subsiguientes se formaban normalmente cerca de los mismos puntos, formando un único rastro de vapor que servía para empujar la gota en una dirección preferida.
Pero, ¿se puede conseguir el efecto Leidenfrost con hielo? Eso es lo que se propuso descubrir el equipo de Virginia Tech. “Hay tantos trabajos sobre la levitación de líquidos, que quisimos hacer la pregunta sobre la levitación del hielo”, aseguró el coautor Jonathan Boreyko . “Empezó como un proyecto de curiosidad. Lo que impulsó nuestra investigación fue la cuestión de si era posible o no tener un efecto Leidenfrost trifásico con sólido, líquido y vapor”.
Todo comenzó hace unos cinco años, cuando el entonces estudiante de licenciatura de Boreyko, Daniel Cusumano, observó que cuando una placa de aluminio se calentaba por encima de los 150° C (302° F), un disco fino y plano de hielo no levitaba sobre el vapor como lo hace el agua líquida. En cambio, hay un umbral significativamente más alto de 550° Celsius (1.022° F) para que se produzca la levitación del disco de hielo. A menos que se alcance ese umbral crítico, el agua de deshielo que hay debajo del hielo seguiría hirviendo en contacto directo con la superficie. Si se sobrepasa ese punto crítico, se produce efectivamente un efecto Leidenfrost trifásico.
El estudiante de posgrado de Boreyko, Mojtaba Edalatpour, había estado trabajando específicamente en el desarrollo de nuevos métodos de transferencia de calor, un área con especial relevancia práctica para la refrigeración de servidores informáticos o motores de automóviles, por ejemplo. Ambos comenzaron a trabajar en un modelo teórico para explicar estos sorprendentes resultados experimentales.
Llegaron a la conclusión de que la clave es un diferencial de temperatura en el agua de deshielo justo debajo del disco de hielo. La parte inferior del agua de deshielo está hirviendo (por lo que está a unos 100° C), pero la parte superior del agua de deshielo se pega al hielo (por lo que está a unos 0° C). Se necesita mucho para mantener una diferencia de temperatura tan extrema, y al hacerlo se consume la mayor parte del calor de la superficie de aluminio, por lo que es más difícil lograr la levitación de un disco de hielo.
“El diferencial de temperatura que el hielo está creando de forma única a través de la capa de agua ha cambiado lo que ocurre en el agua misma, porque ahora la mayor parte del calor de la placa caliente tiene que ir a través del agua para mantener ese diferencial extremo”, explicó Boreyko. “Así que sólo una pequeña fracción de la energía se puede utilizar para producir vapor ya”.
En otras palabras, el hielo puede suprimir el efecto Leidenfrost incluso a temperaturas muy elevadas (hasta 550° C), lo que significa que el uso de partículas de hielo en lugar de gotas de líquido sería mejor para muchas aplicaciones que implican el enfriamiento por pulverización. “La transferencia de calor cae en picado en cuanto comienza la levitación, porque cuando el líquido levita, ya no hierve”, afirmó Boreyko. “Está flotando sobre la superficie en lugar de tocarse, y el contacto es lo que hace que hierva el calor. Así que, para la transferencia de calor, la levitación es terrible”.
Este trabajo es una prueba de principio, pero los autores prevén numerosas aplicaciones posibles, como la aplicación del hielo para inducir un enfriamiento rápido en las centrales nucleares. La metalurgia también requiere un enfriamiento rápido al moldear metales para fortalecer el material y evitar que se vuelva frágil. Incluso podría haber aplicaciones en la lucha contra el fuego. “Se podría imaginar tener una manguera especialmente fabricada para rociar trozos de hielo en lugar de un chorro de agua”, afirmó Boreyko. “Esto no es ciencia ficción. He visitado una empresa aeroespacial que tiene un túnel de hielo, y ya tienen esta tecnología en la que una boquilla rocía partículas de hielo en lugar de gotas de agua”.
El uso de partículas de hielo rugosas y curvadas podría suprimir el efecto Leidenfrost incluso más que los discos de hielo lisos y planos utilizados en los experimentos, una posible vía para futuras investigaciones. Los autores también creen que debería ser posible lograr un estado de Leidenfrost trifásico con otras sustancias, no sólo con el agua, “siempre que la presión supere la del punto triple”, escribieron. “También sería interesante explorar el efecto Leidenfrost invertido.. dejando caer esferas calientes en baños de hielo o sobre una lámina de hielo sólida”.
DOI: Physical Review Fluids, 2022. 10.1103/PhysRevFluids.00.004000.
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Laura Andrade
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