Un cúmulo de gotitas es una monocapa levitante autoensamblada de microgotas, generalmente dispuestas en una estructura hexagonal ordenada sobre una capa delgada (aproximadamente 1 mm) de agua calentada localmente. El cúmulo de gotitas es tipológicamente similar a los cristales coloidales . El fenómeno se observó por primera vez en 2004, [1] y ha sido ampliamente estudiado desde entonces. [2] [3]
Las gotas de condensación crecientes con un diámetro típico de 0,01 mm – 0,2 mm levitan a una altura de equilibrio, donde su peso se equilibra con la fuerza de arrastre del chorro de aire-vapor ascendente que se eleva sobre el punto calentado. Al mismo tiempo, las gotas son arrastradas hacia el centro del punto calentado; sin embargo, no se fusionan, formando un patrón hexagonal ordenado (más denso) debido a una fuerza de presión repulsiva aerodinámica del flujo de gas entre las gotas. El punto generalmente se calienta con un rayo láser u otra fuente de calor a 60 °C – 95 °C, aunque el fenómeno también se observó 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 que muestra similitud con varios objetos clásicos y recién descubiertos, donde la autoorganización es prominente, incluyendo figuras de respiración de agua, cristales coloidales y de polvo, espumas , células de Rayleigh-Bénard y, en cierta medida, cristales de hielo . Las gotas se agrupan cerca del centro del área calentada donde la temperatura y la intensidad de los chorros de vapor ascendentes son las más altas. Al mismo tiempo, existen fuerzas de repulsión de naturaleza aerodinámica entre las gotas. En consecuencia, el grupo se empaqueta en la forma de empaquetamiento más densa (una estructura de panal hexagonal ) con una cierta distancia entre las gotas que depende de las fuerzas de repulsión. [5]
Controlando la temperatura y el gradiente de temperatura se puede controlar la cantidad de gotitas, su densidad y tamaño. Mediante la irradiación infrarroja es posible suprimir el crecimiento de las gotitas y estabilizarlas durante períodos prolongados. [6]
Se ha sugerido que el fenómeno, cuando se combina con un estudio espectrográfico del contenido de las gotitas, se puede utilizar para un análisis bioquímico rápido in situ. [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 cúmulos con un número arbitrario de gotitas. A diferencia de los cúmulos con un gran número de gotitas, los cúmulos pequeños no siempre pueden formar una estructura hexagonalmente simétrica. En cambio, producen varias configuraciones más o menos simétricas según el número de gotitas. El seguimiento de gotitas individuales en cúmulos pequeños es crucial para posibles aplicaciones. La simetría, el orden y la estabilidad de estas configuraciones se pueden estudiar con una medida de autoorganización como la entropía de Voronoi. [8]
Desde que se observó por primera vez en 2004 el grupo de gotas hexagonales (con forma de panal) más común, se descubrieron nuevos tipos de grupos de gotas levitantes. En un grupo de gotas en cadena, las gotas giratorias pueden estar muy cerca unas de otras, pero la viscosidad de la fina capa de gas entre las gotas impide que se fusionen. Hay una transición estructural reversible del grupo hexagonal ordenado a la estructura en forma de cadena. [9] Un grupo jerárquico está formado por pequeños grupos de gotas con interacciones controladas por la fuerza electrostática que se combinan en estructuras más grandes controladas por fuerzas aerodinámicas. Los agregados de gotas se siguen reestructurando continuamente Las gotas se siguen reorganizando permanentemente, por lo que el fenómeno es similar al "caos determinista" (el atractor de Lorenz ). [10] En ausencia del surfactante que suprime el flujo termocapilar (TC) en la superficie de la capa de agua, se forma un grupo en forma de anillo. [11] Los cúmulos pequeños pueden mostrar simetría cuádruple, quíntuple y séptuple, que no se encuentra en los cúmulos de gotas grandes ni en los cristales coloidales. Las propiedades de simetría de las configuraciones de cúmulos pequeños son universales, es decir, no dependen del tamaño de las gotas ni de los detalles de las interacciones entre ellas. Se planteó la hipótesis de que las simetrías en los cúmulos pequeños pueden estar relacionadas con la clasificación ADE o con los diagramas de Dynkin de enlaces simples . [12]
El fenómeno de la acumulación de gotitas es diferente del efecto Leidenfrost porque este último se produce a temperaturas mucho más altas sobre una superficie sólida, mientras que la acumulación de gotitas se forma a temperaturas más bajas sobre una superficie líquida. El fenómeno también se ha observado con líquidos distintos del agua.