grupo de gotas

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 desde entonces se ha estudiado ampliamente ^{[ 2 , 3 ] .}

Las gotas condensadas en crecimiento, con un diámetro típico de 0,01  mm a 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 (de máxima densidad) debido a una fuerza de presión repulsiva aerodinámica generada por el flujo de gas entre las gotas. El punto se calienta generalmente mediante un rayo láser u otra fuente de calor a 60  °C - 95  °C, aunque el fenómeno también se ha observado a temperaturas ligeramente superiores a 20  °C. ^{[ 4 ]} La altura de levitación y la distancia entre las gotas son del mismo orden de magnitud 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 diversos objetos clásicos y recientemente descubiertos, donde la autoorganización es prominente, incluyendo figuras de aliento de agua, cristales coloidales y de polvo, espumas , celdas 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 máximas. Al mismo tiempo, existen fuerzas de repulsión de naturaleza aerodinámica entre las gotas. En consecuencia, el cúmulo se agrupa en la forma de empaquetamiento más densa (una estructura hexagonal de panal ) con una cierta distancia entre las gotas que depende de las fuerzas de repulsión. ^{[ 5 ]}

Al controlar la temperatura y el gradiente de temperatura, se puede controlar el número de gotas, así como su densidad y tamaño. Mediante la irradiación infrarroja, es posible suprimir el crecimiento de las gotas y estabilizarlas durante períodos prolongados. ^{[ 6 ]}

Se ha sugerido que el fenómeno, cuando se combina con un estudio espectrográfico del contenido de las gotas, puede utilizarse para el 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 arbitrariamente pequeño de gotitas. A diferencia de los cúmulos con un gran número de gotitas, los cúmulos pequeños no siempre forman una estructura hexagonalmente simétrica. En cambio, producen diversas configuraciones más o menos simétricas dependiendo del número de gotitas. El seguimiento de las gotitas individuales en los 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 cúmulo de gotas hexagonales (con forma de panal) más común, se descubrieron nuevos tipos de cúmulos de gotas levitantes . En un cúmulo 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 cúmulo hexagonal ordenado a la estructura en forma de cadena. ^{[ 9 ]} Un cúmulo jerárquico se construye a partir de 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 reestructuran continuamente. Las gotas se reorganizan 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 cúmulo en forma de anillo. ^{[ 11 ]} Los cúmulos pequeños pueden mostrar simetría cuádruple, quíntuple y séptuple, la cual está ausente en los grandes cúmulos de gotitas y cristales coloidales. Las propiedades de simetría de las configuraciones de cúmulos pequeños son universales, es decir, no dependen del tamaño de las gotitas ni de los detalles de las interacciones entre ellas. Se planteó la hipótesis de que las simetrías en los cúmulos pequeños podrían estar relacionadas con la clasificación ADE o con los diagramas de Dynkin de enlaces simples . ^{[ 12 ]}

El fenómeno de la formación de cúmulos de gotas difiere del efecto Leidenfrost , ya que este último se produce a temperaturas mucho más elevadas sobre una superficie sólida, mientras que los cúmulos se forman a temperaturas más bajas sobre una superficie líquida. Este fenómeno también se ha observado con líquidos distintos del agua.

• Efecto Leidenfrost
• convección de Rayleigh-Bénard
• Autoensamblaje

• Vídeo: Agrupaciones de gotitas levitando sobre una superficie de agua caliente
• grupo de gotas
• Vídeo: Clústeres de gotas