MX2014001442A - Superficies impregnadas con liquido, metodos de realizacion y dispositivos que las incorporan. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un artículo que tiene una superficie impregnada con líquido, la cual superficie tiene una matriz de partes en ella, espaciadas suficientemente cerca para contener de forma estable un líquido entre ellas o dentro de las mismas y preferentemente también una película delgada. La superficie le proporciona al artículo propiedades no humectantes deseadas. En comparación con superficies no humectantes anteriores, que incluyen un gas (p. ej., aire) atrapado dentro de las texturas de la superficie, estas superficies impregnadas con líquido son resistentes al empalamiento y la formación de escarcha y, por lo tanto, son más fuertes.

Description

SUPERFICIES IMPREGNADAS CON LIQUIDO, METODOS DE REALIZACION Y DISPOSITIVOS QUE LAS INCORPORAN CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere generalmente a superficies no humectantes y de baja adhesión. Más específicamente, en determinadas modalidades, la invención se refiere a superficies no humectantes que combaten el empalamiento líquido, la formación de hielo, la formación de incrustaciones, la formación de hidratos y/o tienen propiedades antiincrustantes .

ANTECEDENTES DE LA INVENCION El advenimiento de las superficies de nanoingeniería/microingeniería en la última década ha abierto nuevas técnicas para mejorar una amplia variedad de fenómenos físicos en las ciencias en termofluidos . Por ejemplo, el uso de texturas de micro/nanosuperficies ha proporcionado superficies no humectantes que pueden lograr menor resistencia viscosa, adhesión reducida al hielo y otros materiales, autolimpieza y repelencia al agua. Estas mejoras generalmente son el resultado del contacto disminuido (es decir, menos humectación) entre las superficies sólidas y los líquidos adyacentes.

Un tipo de superficie no humectante de interés es una superficie superhidrófoba . En general, una superficie Ref.:246362 superhidrófoba incluye rugosidad a micro/nanoescala en una superficie intrínsecamente hidrófoba, por ejemplo un recubrimiento hidrófobo. Las superficies superhidrófobas evitan el contacto con el agua en virtud de una interfaz aire-agua dentro de las texturas de micro/nanosuperficies .

Una de las desventajas de las superficies no humectantes existentes (p. ej . , superficies superhidrófobas , superoleofobas y supermetalofobas) es que son susceptibles al empalamiento, que destruye las capacidades no humectantes de la superficie. El empalamiento se produce cuando un líquido incidente (p. ej . , una gotita de líquido o corriente de líquido) se desplaza por el aire atrapado dentro de las texturas de la superficie. Los intentos anteriores para evitar el empalamiento se han concentrado en reducir las dimensiones de las texturas de las superficies de microescala a nanoescala.

Otra desventaja de las superficies no humectantes existentes es que son susceptibles a la formación de hielo y la adhesión. Por ejemplo, cuando se forma escarcha en las superficies superhidrófobas existentes, las superficies se vuelven hidrófilas. En condiciones de congelamiento, las gotas de agua se pueden adherir a la superficie y se puede acumular hielo. La eliminación del hielo puede ser difícil ya que el hielo se puede entrelazar con las texturas de la superficie. Asimismo, cuando estas superficies están expuestas a soluciones saturadas con sales, por ejemplo en la desalinización o en aplicaciones de aceite y gas, se construyen incrustaciones en las superficies y se producen pérdidas de funcionalidad. Limitaciones similares de las superficies no humectantes existentes incluyen los problemas con la formación de hidratos y la formación de otros depósitos orgánicos o inorgánicos en las superficies.

Existe la necesidad de superficies no humectantes (p. ej . , superficies superhidrófobas , superficies superoleófobas y superficies supermetalófobas) que sean más fuertes. En particular, existe la necesidad de superficies no humectantes que combatan el empalamiento y la formación de hielo.

SUMARIO DE LA INVENCION En la presente se describen superficies no humectantes que incluyen un líquido impregnado dentro de una matriz de partes de nanoingeniería/microingeniería en la superficie o un líquido que llena los poros u otros orificios pequeños en la superficie. En comparación con superficies no humectantes anteriores, que incluyen un gas (p. ej . , aire) atrapado dentro de las texturas de la superficie, estas superficies impregnadas con líquido son resistentes al empalamiento y la formación de escarcha y, por lo tanto, son más fuertes. La invención es fundamental en la naturaleza y se puede utilizar en cualquier aplicación que se beneficie de superficies no humectantes. Por ejemplo, se pueden utilizar los métodos descritos aquí para reducir la resistencia viscosa en tuberías de aceite y gas, evitar la formación de hielo en aeronave y/o líneas eléctricas y minimizar la acumulación de líquido incidente.

Los métodos y aparatos descritos en la presente tienen varias ventajas sobre las superficies no humectantes existentes, denominadas aquí superficies impregnadas con gas. Por ejemplo, en comparación con las superficies impregnadas con gas, las superficies impregnadas con líquido tienen una resistencia mucho mayor al empalamiento . Esto permite que una superficie impregnada con líquido resista mayores presiones (p. ej . , mayores velocidades de goteo) durante el impacto líquido. En determinadas modalidades, una superficie impregnada con líquido combate el empalamiento a través del uso de texturas de superficies a microescala en lugar de texturas a nanoescala, como se utilizaba en enfoques previos de superficies impregnadas con gas. El uso de texturas a microescala en lugar de texturas a nanoescala es extremadamente ventajoso al menos porque las partes a microescala son menos costosas y más fáciles de fabricar.

A través de la selección adecuada del líquido de impregnación, las superficies impregnadas con líquido descritas en la presente son fácilmente adaptables a una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, se puede lograr una reducción de la resistencia del agua en una superficie sólida con el uso de aceite como líquido de impregnación, ya que el agua se desliza fácilmente en los aceites. El uso de aceite como líquido de impregnación también es adecuado para la prevención de formación de escarcha y hielo. En esta aplicación, la escarcha y el hielo se pueden formar solamente en los picos de las texturas de las superficies, reduciendo así en gran medida los índices de formación de hielo y las fuerzas de adhesión.

En un aspecto, la invención se refiere a un artículo que comprende una superficie impregnada con líquido, la superficie comprende una matriz de partes espaciadas suficientemente cerca para contener de forma estable un líquido entre ellas o dentro de las mismas. En determinadas modalidades, el líquido tiene una viscosidad a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 1000 cP (o cSt) , no mayor que aproximadamente 100 cP (o cSt) o no mayor que aproximadamente 50 cP (o cSt) . En determinadas modalidades, el líquido tiene una presión de vapor a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 20 mm Hg, no mayor que aproximadamente 1 mm Hg o no mayor que aproximadamente 0 , 1 mmHg .

En determinadas modalidades, las partes tienen una altura sustancialmente uniforme y en donde el líquido llena el espacio entre las partes y cubre las partes con una capa de al menos aproximadamente 5 nm de grosor sobre la parte superior de las partes. En determinadas modalidades, las partes definen poros u otros orificios y el líquido llena las partes .

En determinadas modalidades, el líquido tiene un ángulo de contacto de retroceso de 0o para que el líquido forme una película delgada estable en la parte superior de las partes.

En determinadas modalidades, la matriz tiene un espaciamiento entre partes de entre aproximadamente 1 micrometro y aproximadamente 100 micrometros. En determinadas modalidades, la matriz tiene un espaciamiento entre partes de entre aproximadamente 5 nanómetros y aproximadamente 1 micrometro. En determinadas modalidades, la matriz comprende estructuras jerárquicas. Por ejemplo, las estructuras jerárquicas pueden ser partes a microescala que comprenden partes a nanoescala sobre ellas.

En determinadas modalidades, las partes tienen una altura no mayor que aproximadamente 100 micrometros. En determinadas modalidades, las partes son postes. En determinadas modalidades, las partes incluyen una o más partículas esféricas, nanoagujas, "nanograss" (nanohierba) y/o partes de geometría aleatoria que proporcionan rugosidad de superficie. En determinadas modalidades, la parte comprende uno o más poros, cavidades, poros interconectados y/o cavidades interconectadas . En determinadas modalidades, la superficie comprende medio poroso con diversos poros que tienen diferentes tamaños.

En determinadas modalidades, el líquido comprende un líquido de perfluorocarbono, un aceite de vacío perfluorofluorado (por ejemplo Krytox 1506 o Fromblin 06/6) , un refrigerante fluorado (p. ej . , perfluoro-tripentilamina vendido como FC-70, fabricado por 3M) , un líquido iónico, un líquido iónico fluorado que es inmiscible con agua, un aceite de silicona que comprende PDMS, un aceite de silicona fluorado, un metal líquido, un fluido electrorreológico, un fluido magnetorreológico, un ferrofluido, un líquido dieléctrico, un líquido de hidrocarburo, un líquido de fluorocarbono, un refrigerante, un aceite de vacío, un material de cambio de fase, un semilíquido, grasa, líquido sinovial y/o un fluido corporal.

En determinadas modalidades, el artículo es una parte de turbina de vapor, una parte de turbina de gas, una parte de aeronave o una parte de turbina de viento, y la superficie impregnada con líquido está configurada para repeler el líquido incidente. En determinadas modalidades, el artículo es anteojos, gafas de protección, una máscara de esquí, un casco, un protector de casco o un espejo, y la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir el empañamiento . En determinadas modalidades, el artículo es una parte de aeronave, una parte de turbina de viento, una línea de transmisión de energía o un parabrisas, y la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación de hielo. En determinadas modalidades, el artículo es una tubería (o una parte o recubrimiento de esta) y la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación de hidratos y/o mejorar el deslizamiento (reducir la resistencia) del fluido que fluye sobre ella (o a través de ella) . En determinadas modalidades, el artículo es una parte de termocambiador o una tubería de aceite o gas (o una parte o recubrimiento de esta) y la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación y/o adhesión de sal sobre ella. En determinadas modalidades, la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la corrosión.

En determinadas modalidades, el artículo es una junta artificial y la superficie impregnada con líquido está configurada para reducir la fricción entre las superficies de contacto y/o proporcionar lubricación de larga duración de la junta. En determinadas modalidades, el artículo es una pieza de motor (p. ej . , pistón o cilindro) y la superficie impregnada con líquido está configurada para proporcionar lubricación de larga duración de la pieza. En determinadas modalidades, la superficie impregnada con líquido está configurada para liberar líquido desde la superficie a lo largo del tiempo, proporcionando así lubricación a lo largo del tiempo.

En determinadas modalidades, la superficie impregnada con líquido es una superficie antiincrustante configurada para combatir la adsorción de restos en ella. En determinadas modalidades, el artículo es una parte de termocambiador y la superficie impregnada con líquido está configurada para facilitar desprendimiento de condensado en ella, mejorando así la transferencia de calor de condensación.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Los objetos y partes de la invención se pueden comprender mejor con referencia a las figuras descritas a continuación y las reivindicaciones.

La figura 1A es una vista transversal esquemática de un líquido que se pone en contacto con una superficie no humectante, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención .

La figura IB es una vista transversal esquemática de un líquido que tiene empalada una superficie no humectante, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 1C es una vista transversal esquemática de un líquido en contacto con una superficie impregnada con líquido, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención .

La figura 2A es una vista transversal esquemática de una gotita sobre una superficie impregnada con líquido, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 2B es una imagen SE de una superficie no humectante que incluye postes, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 2C es una vista en perspectiva esquemática de una superficie no humectante que incluye postes, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 2D es una vista transversal superior esquemática de una superficie no humectante que incluye postes, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 3 incluye una fotografía de una superficie microtexturada, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Las figuras 4A y 4B incluyen una secuencia de imágenes de video de alta velocidad que representan el impacto de una gotita de agua sobre una superficie impregnada con gas y una superficie impregnada con líquido, respectivamente, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 5 incluye una secuencia de imágenes de video de alta velocidad que muestran una gotita que impacta una superficie impregnada con líquido inclinada a 25° con respecto a la horizontal, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Las figuras 6A-6D incluyen una secuencia de imágenes ESEM que muestran la formación de escarcha sobre una superficie no humectante impregnada con gas, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Las figuras 7A-7C incluyen imágenes de las pruebas de impacto de las gotitas sobre superficies superhidrófoba secas y escarchadas, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 8 es una gráfica de una fuerza de adhesión al hielo normalizada contra un área de la superficie normalizada medidas, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 9 es una gráfica de un ángulo de caída contra una fracción sólida de la superficie, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Las figuras 10, 11 y 12 son gráficas de la velocidad de rotación de la gotita en una superficie impregnada con líquido inclinada, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Las figuras 13 y 14 incluyen imágenes de Environmental SEM (ESE ) de nucleación de escarcha en superficies de microposte impregnadas con aceite de silicona, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 15 es una imagen de una gotita de agua en una superficie que tiene una matriz de partes de postes e impregnada con aceite de silicona, contrastando un estado empalado con un estado no húmedo, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 16 es un esquema que describe seis estados de humectación de una superficie impregnada con líquido, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

La figura 17 es un esquema que muestra las condiciones para los seis estados de humectación de una superficie impregnada con líquido que se muestra en la figura 16, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Se contempla que las composiciones, las mezclas, los sistemas, los dispositivos, los métodos y los procesos de la invención reivindicada abarcan las variaciones y adaptaciones desarrolladas utilizando la información de las modalidades descritas en la presente. Los entendidos en la técnica pueden realizar una adaptación y/o modificación de las composiciones, las mezclas, los sistemas, los dispositivos, los métodos y los procesos descritos en la presente.

En toda la descripción, cuando se describe que los artículos, dispositivos y sistemas tienen, incluyen o comprenden componentes específicos, o cuando se describe que los procesos y métodos tienen, incluyen o comprenden etapas específicas, se contempla, adicionalmente , que existen artículos, dispositivos y sistemas de la presente invención que consisten esencialmente, o consisten, en los componentes nombrados y que existen procesos y métodos de acuerdo con la presente invención que consisten esencialmente, o consisten, en las etapas de procesamiento descrita.

Asimismo, cuando se describe que los artículos, dispositivos, mezclas y composiciones tienen, incluyen o comprenden compuestos y/o materiales específicos, se contempla, adicionalmente , que existen artículos, dispositivos, mezclas y composiciones de la presente invención que consisten esencialmente, o consisten, en los compuestos y/o materiales descritos.

Se entenderá que el orden de las etapas o el orden para realizar determinadas acciones es irrelevante mientras que la invención siga siendo operable. Además, se pueden llevar a cabo dos o más etapas o acciones simultáneamente.

La mención de cualquier publicación en la presente, por ejemplo, en la sección Antecedente, no es una admisión de que la publicación sirve como técnica anterior con respecto a cualquiera de las reivindicaciones que se presentan en este documento. La sección Antecedentes se presenta con el objetivo de claridad y no se refiere a una descripción de la técnica anterior con respecto a cualquier reivindicación.

En determinadas modalidades, un ángulo de contacto estático T entre un líquido y un sólido se define como el ángulo formado por la gota de un líquido en una superficie sólida según lo medido entre una tangente en la línea de contacto, donde se encuentran las tres fases (sólida, líquida y vapor) y la horizontal. El término "ángulo de contacto" usualmente implica el ángulo de contacto estático T ya que el líquido está simplemente apoyado en el sólido sin ningún movimiento.

Según se emplea aquí, ángulo de contacto dinámico, ??? es un ángulo de contacto hecho por un líquido en movimiento en una superficie sólida. En el contexto de impacto de una gotita, puede existir dd ya sea durante un movimiento de avance o retroceso.

Según se emplea aquí, una superficie es "no humectante" si tiene un ángulo de contacto dinámico con un líquido de al menos 90 grados. Ejemplos de superficies no humectantes incluyen, por ejemplo, superficies superhidrófobas , superficies superoleofobas y superficies supermetalófobas .

Según se emplea aquí, la histéresis del ángulo de contacto (CAH, por sus siglas en inglés) es CAfí= Qa - Qr, en donde 9a y 9r son ángulos de contacto de avance y retroceso, respectivamente, formados por un líquido en una superficie sólida. El ángulo de contacto de avance 0a es el ángulo de contacto formado en el instante cuando una línea de contacto está por avanzar, mientras el ángulo de contacto de retroceso 6r es el ángulo de contacto formado cuando una línea de contacto está por retroceder.

La figura 1A es una vista transversal esquemática de un líquido de contacto 102 en contacto con una superficie tradicional o no humectante anterior 104 (es decir, una superficie de impregnación con gas) , de acuerdo con una modalidad de la invención. La superficie 104 incluye un sólido 106 que tiene la textura de una superficie definida por postes 108. Las regiones entre los postes 108 están ocupadas por un gas 110, por ejemplo aire. Como se ilustra, cuando el líquido de contacto 102 se puede poner en contacto con las partes superiores de los postes 108, una interfaz gas-líquido 112 evita que el líquido 102 humedezca toda la superficie 104.

Con referencia a la figura IB, en determinados casos, el líquido de contacto 102 puede desplazar el gas de impregnación gas y se puede empalar dentro de los postes 108 del sólido 106. El empalamiento se puede producir, por ejemplo, cuando la gotita de un líquido choca con la superficie 104 a alta velocidad. Cuando se produce el empalamiento, el gas que ocupa las regiones entre los postes 108 es reemplazado por el líquido de contacto 102, ya sea parcialmente o completamente, y la superficie 104 puede perder sus capacidades no humectantes.

Con referencia a la figura 1C, en determinadas modalidades, se proporciona una superficie impregnada con líquido no humectante 120 que incluye un sólido 122 que tiene texturas (p. ej . , postes 124) que están impregnados con un líquido de impregnación 126, en lugar de un gas. En la modalidad ilustrada, un líquido de contacto 128 en contacto con la superficie se apoya en los postes 124 (u otra textura) de la superficie 120. En las regiones entre los postes 124, el líquido de contacto 128 está sostenido por el líquido de impregnación 126. En determinadas modalidades, el líquido de contacto 128 es inmiscible con el líquido de impregnación 126. Por ejemplo, el líquido de contacto 128 puede ser agua y el líquido de impregnación 126 puede ser aceite.

El sólido 122 puede incluir cualquier recubrimiento o material intrínsecamente hidrófobo, oleófobo y/o metalófobo. Por ejemplo, el sólido 122 puede incluir: hidrocarburos, por ejemplo alcanos, y fluoropolímeros , por ejemplo teflón, tricloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctil) silano (TCS) , octadeciltriclorosilano (OTS) , heptadecafluoro- 1 , 1 , 2 , 2-tetrahidrodeciltriclorosilano , fluoroPOSS y/u otros fluoropolímeros . Recubrimientos o materiales posibles adicionales para el sólido 122 incluye: cerámicas, materiales poliméricos, materiales fluorados, compuestos intermetálicos y materiales compuestos. Los materiales poliméricos pueden incluir, por ejemplo, politetrafluoroetileno, fluoroacrilato, fluoroeuratano, fluorosilicona, fluorosilano, carbonato modificado, clorosilanos , silicona, polidimetilsiloxano (PDMS) y/o combinaciones de estos. Las cerámicas pueden incluir, por ejemplo, carburo de titanio, nitruro de titanio, nitruro de cromo, nitruro de boro, carburo de cromo, carburo de molibdeno, carbonitruro de titanio, níquel electrolítico, nitruro de circonio, dióxido de silicona fluorada, dióxido de titanio, óxido de tántalo, nitruro de tántalo, carbono tipo diamante, carbono tipo diamante fluorado y/o combinaciones de estos. Los compuestos intermetálicos pueden incluir, por ejemplo, aluminuro de níquel, aluminuro de titanio y/o combinaciones de estos.

Las texturas dentro de la superficie impregnada con líquido 120 son texturas físicas o rugosidad de superficies. Las texturas pueden ser aleatorias, incluso fractales o modeladas. En determinadas modalidades, las texturas son partes a microescala o nanoescala. Por ejemplo, las texturas pueden tener una escala de longitud L (p. ej . , un diámetro de poro promedio o una altura de protuberancia promedio) que es menor que aproximadamente 100 micrones, menor que aproximadamente 10 micrones, menor que aproximadamente 1 micrón, menor que aproximadamente 0.1 micrones o menor que aproximadamente 0.01 micrones. En determinadas modalidades, la textura incluye postes 124 u otras protuberancias, por ejemplo protuberancias esféricas o hemisféricas. Pueden ser preferibles protuberancias redondeadas para evitar bordes sólidos afilados y minimizar la fijación de bordes líquidos. La textura se puede introducir a la superficie utilizando cualquier método convencional, incluso métodos mecánicos y/o químicos tales como litografía, autoensamblaj e y deposición, por ejemplo.

El líquido de impregnación 126 puede ser cualquier tipo de líquido que pueda proporcionar las propiedades no humectantes deseadas. Por ejemplo, el líquido de impregnación 126 se puede basar en aceite o se puede basar en agua (es decir, acuoso) . En determinadas modalidades, el líquido de impregnación 126 es un líquido iónico (p. ej . , BMI-IM) . Otros ejemplos de líquidos de impregnación posibles incluyen hexadecano, aceites de bombas de vacío (p. ej . , FOMBLIN¾ 06/6, KRYTOX19 1506) aceites de silicona (p. ej . , 10 cSt o 1000 cSt) , fluorocarbonos (p . ej . , perfluoro-tripentilamina, FC-70) , fluidos pseudoplásticos , fluidos dilatantes, polímeros líquidos, polímeros disueltos, fluidos viscoelásticos y/o fluoroPOSS líquido. En determinadas modalidades, el líquido de impregnación es (o comprende) a metal líquido, un fluido dieléctrico, un ferrofluido, un fluido magnetorreológico (MR) , un fluido electrorreológico (ER) , un fluido iónico, un líquido de hidrocarburo y/o un líquido de fluorocarbono . En una modalidad, el líquido de impregnación 126 se hace dilatante con la introducción de nanopartículas . Puede ser deseable un líquido de impregnación dilatante 126 para evitar el empalamiento y combatir el impacto de los líquidos incidentes, por ejemplo.

Para minimizar la evaporación del líquido de impregnación 126 de la superficie 120, generalmente es recomendable utilizar líquidos de impregnación 126 que tengan bajas presiones de vapor (p. ej . , menores que 0,1 mmHg, menores que 0,001 mmHg, menores que 0,00001 mmHg o menores que 0,000001 mmHg) . En determinadas modalidades, el líquido de impregnación 126 tiene un punto de congelación menor que -20 °C, menor que -40 °C o aproximadamente -60 °C. En determinadas modalidades, la tensión superficial del líquido de impregnación 126 es aproximadamente 15 mN/m, aproximadamente 20 mN/m o aproximadamente 40 mN/m. En determinadas modalidades, la viscosidad del líquido de impregnación 126 es entre aproximadamente 10 cSt y aproximadamente 1000 cSt) .

El líquido de impregnación 126 se puede introducir a la superficie 120 utilizando cualquier técnica convencional para aplicar un líquido a un sólido. En determinadas modalidades, se utiliza un proceso de recubrimiento, por ejemplo un recubrimiento por inmersión, recubrimiento con cuchilla o recubrimiento con rodillo, para aplicar el líquido de impregnación 126. Alternativamente, el líquido de impregnación 126 se puede introducir y/o reponer por materiales líquidos que fluyen más allá de la superficie 120 (p. ej . , en una tubería) . Después de que se ha aplicado el líquido de impregnación 126, fuerzas capilares mantienen el líquido en su lugar. Las fuerzas capilares escalan aproximadamente con la inversa de la distancia entre partes o el radio de los poros, y las partes pueden estar diseñadas para que el líquido se mantenga en su lugar a pesara del movimiento de la superficie y a pesar del movimiento del aire u otros fluidos sobre la superficie (p. ej . , donde la superficie 120 está en la superficie exterior de una aeronave con aire que se precipita, o en una tubería con aceite y/o otros fluidos que fluyen a través de ella) . En determinadas modalidades, se utilizan partes a nanoescala (p. ej . , entre 1 nanómetro y 1 micrómetro) en donde las fuerzas dinámicas altas, las fuerzas del cuerpo, las fuerzas gravitacionales y/o las fuerzas de corte podrían representar una amenaza para eliminar la película líquida, p. ej . , para superficies utilizadas en tuberías de corriente rápida, en aeronaves, en palas de turbinas de viento, etc. También pueden ser útiles pequeñas partes para proporcionar solidez y resistencia al impacto.

En comparación a las superficies impregnadas con gas, las superficies impregnadas con líquido descritas aquí ofrecen varias ventajas. Por ejemplo, debido a que los líquidos son incompresible a través de una amplia gama de presiones, las superficies impregnadas con líquido generalmente son más resistentes al empalamiento . En determinadas modalidades, aunque es posible que sean necesarias texturas a nanoescala (p. ej . , menos que un micrón) para evitar el empalamiento con superficies impregnadas con gas, las texturas a microescala (p. ej . , entre 1 micrón y aproximadamente 100 micrones) son suficientes para evitar el empalamiento con superficies impregnadas con líquido. Como se mencionó, las texturas a microescala son más fáciles de fabricar y más prácticas que las texturas a nanoescala.

Las superficies impregnadas con líquido también son útiles para reducir la resistencia viscosa entre una superficie sólida y un líquido que fluye. En general, la resistencia viscosa o el esfuerzo de corte ejercido por un líquido que fluye sobre una superficie sólida es proporcional a la viscosidad del líquido y la velocidad de corte adyacente a la superficie. Una hipótesis tradicional es que las moléculas del líquido en contacto con la superficie sólida se adhieren a la superficie, en una condición de contorno denominada "antideslizante" . Aunque se puede producir algo de deslizamiento entre el líquido y la superficie, la condición de contorno antideslizante es una hipótesis útil para la mayoría de las aplicaciones.

En determinadas modalidades, son convenientes superficies no humectantes, por ejemplo superficies impregnadas con líquido, ya que inducen una gran cantidad de deslizamiento en la superficie sólida. Por ejemplo, también con referencia a las figuras 1A y 1C, cuando un líquido de contacto 102, 128 está sostenido por un líquido de impregnación 126 o un gas, la interfaz líquido-líquido o líquido-gas puede fluir o deslizarse con respecto al material sólido subyacente. Se pueden lograr reducciones de resistencia superiores a 40 % debido a este deslizamiento. Como se mencionó, sin embargo, las superficies impregnadas con gas son susceptibles al empalamiento . Cuando se produce embalamiento con una superficie impregnada con gas, se pueden perder los beneficios de la reducción de resistencia reducida.

Otra ventaja de las superficies impregnadas con líquido descritas en la presente es que son útiles para minimizar la formación y adhesión de escarcha o hielo. En teoría, las superficies superhidrófobas anteriores (es decir, impregnadas con gas) reducen la formación y la adhesión de hielo forzando al hielo a descansar en lo alto de las texturas de superficies a microescala y/o nanoescala de baja energía superficial para que el hielo se ponga en contacto principalmente con aire. En la práctica, son embargo, estas superficies impregnadas con gas en realidad puede dar lugar a un aumento de la formación y la adhesión de hielo. Por ejemplo, cuando la temperatura de la superficie impregnada con gas se lleva a bajo cero, la superficie impregnada con gas puede comenzar a acumular escarcha, que convierte la superficie de superhidrófoba a hidrófila. Cuando el agua entra en contacto con la nueva superficie hidrófila, el agua puede infiltrarse en las texturas hidrófilas y congelarse. La unión adhesiva entre la superficie impregnada con gas y el hielo se puede fortalecer por enclavamiento entre el hielo y las texturas de las superficies. De forma similar, las superficies impregnadas con líquido descritas aquí son útiles en situaciones donde la nucleación en la superficie plantea un problema, por ejemplo, para reducir el escalamiento, la formación de hidratos, la acumulación de placa en implantes quirúrgicos y similares.

De acuerdo con la teoría clásica de nucleacion, grupos de moléculas de agua reunidos con agitación térmica aleatoria deben alcanzar un tamaño crítico con el fin de sostener el crecimiento. La barrera de energía libre, AG* , para la nucleacion heterogénea de un embrión de tamaño crítico en una superficie plana y la velocidad de nucleacion correspondiente se expresan como AG*=¾¿(2-3m+m3) 3 (l) y J =J0exp(AG*/kT) ¦ (2) El parámetro m es la proporción de las energías interfaciales dadas por en donde aSv, c¾i, y IV son las energías interfaciales para las interfaces sustrato-vapor, sustrato-hielo y hielo-vapor, respectivamente. En la definición de la energía libre en términos de un radio crítico rc, se supone que el sustrato y el hielo son isotrópicos y se supone que las partículas de nucleacion son esféricas. El radio crítico rc se puede definir por la ecuación de Kelvin: \n(pl ??) = 2s,? lntkTrc . (4) Los experimentos de nucleacion con sólidos demuestran barreras de energía mucho más bajas para la nucleacion que la barrera de energía libre prevista por la ecuación 1. Esto es probablemente debido a la rugosidad y la heterogeneidad a nanoescala, ya que los parches de alta energía superficial de una superficie y las concavidades a nanoescala pueden actuar como sitios de nucleacion. Los líquidos, sin embargo, comúnmente son muy suaves y homogéneos y se ha demostrado experimentalmente que la nucleacion del agua en líquidos está de acuerdo con la teoría clásica. Por consiguiente, la barrera de energía para la nucleacion de escarcha o la condensación generalmente es mucho mayor para los líquidos hidrófobos que para los sólidos. En determinadas modalidades, impregnar un líquido dentro de las texturas de una superficie impregnada con líquido evita la nucleacion en estas regiones y fuerza la nucleacion preferencial en los picos de las texturas de las superficies (p. ej . , las partes superiores de los postes) . Con respecto a la formación de hielo, el uso de una superficie impregnada con líquido supera o reduce los desafíos de formación y adhesión de hielo encontrados con superficies superhidrófobas impregnadas con gas .

En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido descritas aquí tienen propiedades de caída de gotitas ventajosas que minimizan la acumulación de líquido o las capas de hielo en las superficies. Para evitar la formación de hielo, por ejemplo, es importante que una superficie pueda desprender gotitas superenfriadas (p. ej . , lluvia helada) antes de que las gotitas se congelen. De lo contrario, las gotitas con velocidad suficientemente alta (por ejemplo una gotita de lluvia) pueden penetrar las texturas de una superficie y permanecer fijas hasta que se forme hielo. De manera conveniente, en determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido descritas aquí tienen bajos ángulos de caída (es decir, el ángulo o pendiente de una superficie en la cual una gotita en contacto con la superficie comenzará a caer o deslizarse de la superficie) . Los bajos ángulos de caída asociados con las superficies impregnadas con líquido permiten que las gotitas en contacto con la superficie caigan fácilmente de la superficie antes de que se pueda congelar el líquido y se pueda acumular hielo. Como describe más detalladamente a continuación, se midió que el ángulo de caída para el agua en la superficie (es decir, una superficie de postes de silicona tratada con octadeciltriclorosilano impregnada con hexadecano) era 1.7° ± 0.1°. En determinadas modalidades, el ángulo de caída para una superficie impregnada con líquido es menor que 2° o menor que aproximadamente 1°.

La figura 2A-2D es una vista transversal esquemática de la gotita de un líquido 202 sobre una superficie impregnada con líquido 204, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. En una modalidad, la morfología del borde de la gotita, que regula su movilidad, se ve afectada por las propiedades del líquido de impregnación 126. Por ejemplo, como se ilustra, la gotita puede "levantar" el líquido de impregnación 126 cerca localmente de los bordes de la gotita. La agrupación del líquido de impregnación 126 en los bordes de la gotita genera fuerzas de fijación. Durante la caída de la gotita, las fuerzas de fijación y las fuerzas viscosas combaten el movimiento de la gotita debido a la gravedad. Para una superficie inclinada en un ángulo a, la ecuación de equilibrio de fuerzas para la caída de la gotita se da por Vp g sin a = pG2 (\ - f)µ?0 / h + 2r-</> yw (cos 9r - eos ?a ) ' ( 5 ) en donde Vpg ún a es la fuerza de gravedad en la gotita, fuerza de fijación. En esta ecuación, V es el volumen de gotita, p es la densidad del líquido no humectante, F es la fracción sólida de la superficie (fracción de área del sustrato en contacto directo con la fase no húmeda) , µ es la viscosidad dinámica del líquido impregnado, va es la velocidad de deslizamiento de la gotita (velocidad de gota característica) , h es una escala de longitud característica sobre la cual se produce el corte del líquido impregnado (p. ej . , una altura de postes de superficie u la altura de otra textura de superficie) , o¡ es el ángulo que hace el sustrato con respecto al horizontal, g es la aceleración de la gravedad, r es el radio de contacto de la gotita no húmeda, Qa y 9r son los ángulos de contacto de avance y retroceso de la gotita no húmeda y yw es la energía de la superficie del líquido no húmedo en equilibrio con vapor.

Las figuras de 2B a 2D presentan una superficie no humectante 250 que incluye una porción de base 252 y una matriz de postes sustancialmente cuadrados 254, que tienen partes superiores de postes 256. Como se muestra, los postes 254 tienen una altura h, una longitud lateral a y un espaciamiento entre postes b (es decir, una distancia entre las superficies de postes adyacentes) . La porción de base 252 incluye regiones de base 258 entre los postes 260. La fracción sólida de la superficie F para la superficie 250 se da por F = a2 / (a + £>) 2.

En determinadas modalidades, la elección de líquido de impregnación afecta la velocidad con la cual se produce la caída de la gotita. Por ejemplo, si el líquido tiene una viscosidad alta, la caída se puede producir muy lentamente.

Las superficies impregnadas con líquido descritas aquí tienen una amplia variedad de aplicaciones a través de muchas industrias diferentes. Por ejemplo, en determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido se utilizan para repeler líquidos. Existen muchos procesos físicos que involucran el impacto de líquidos en superficies sólidas. Los ejemplos incluyen gotitas de agua que chocan con las palas de turbinas de vapor, gotitas de aceite que chocan con las palas de turbinas de gas y gotitas de agua que chocan con superficies de aeronaves y de turbinas de viento. Para las turbinas de vapor y gas, las gotitas de agua atrapadas en el vapor chocan y se adhieren a las palas de las turbinas, reduciendo así la salida de potencia de la turbina. Al aplicar una superficie impregnada con líquido a las palas de las turbinas, sin embargo, las gotitas pueden desprenderse de las palas y se puede mejorar significativamente la salida de potencia de la turbina. En una modalidad, las superficies impregnadas con líquido presentan una gran barrera de energía para la condensación y son adecuadas como recubrimientos antiempañamiento para las superficies tales como ventanas, anteojos y/o espejos.

En determinadas modalidades, se utilizan superficies impregnadas con líquido para proporcionar fobicidad al hielo, evitando o minimizando así la formación de hielo. Se puede formar hielo en superficies en muchas situaciones, por ejemplo aeronaves, turbinas de viento, líneas de transmisión de energía y parabrisas. El hielo formado en las superficies impregnadas con líquido presenta adhesión mucho más baja en comparación con las superficies comunes y, por lo tanto, se puede eliminar fácilmente logrando ahorros de energía significativos. Las superficies impregnadas con líquido también son repelentes al hielo en el sentido que su superficie de poca de energía atómicamente suave produce una gran barrera de energía para la desublimación (formación de escarcha). En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido inhiben la formación de hielo macroscópica de la lluvia helada. Para aeronaves, debido a que las superficies de impregnación de líquidos producen adhesión de escarcha y hielo disminuida, se puede reducir significativamente la energía y los químicos pe judiciales para el medio ambiente necesarios para la descongelar la aeronave. Cuando las superficies impregnadas con líquido se utilizan en líneas de transmisión de energía, es menos probable que se forme hielo y se puede eliminar fácilmente. Las superficies impregnadas con líquido también pueden reducir significativamente la formación de hielo en las turbinas de viento, aumentando así la eficacia de la turbina.

En determinadas modalidades, se utilizan superficies impregnadas con líquido para proporcionar fobicidad a hidratos, evitando o minimizando así la formación de hidratos. Los hidratos se forman en tuberías de aceite y gas durante la extracción y/o perforación en aguas profundas. Los hidratos pueden tapas las tuberías y provocar un aumento catastrófico en las presiones de líquidos. Al elegir un líquido de impregnación adecuado, una superficie impregnada con líquido presenta una barrera de alta energía para la nucleación de hidratos y, por lo tanto, combate la formación de hidratos. Por otra parte, los hidratos formados en las superficies impregnadas con líquido muestran fuerza de adhesión mucho menor en comparación con las superficies comunes y, por lo tanto, se puede eliminar fácilmente. En determinadas modalidades, el líquido de impregnación es un líquido permanente suministrado con un recubrimiento original. Alternativamente, el líquido de impregnación puede ser suministrado continuamente por el aceite presente en la tubería .

En determinadas modalidades, se utilizan superficies impregnadas con líquido para proporcionar fobicidad a la sal, evitando o minimizando así la formación de sales o escala mineral. Las sales se pueden formar en superficies sólidas en instalaciones industriales basadas en agua o basadas en vapor, por ejemplo intercambiadores de calor en las plantas de energía y desalinización . Las sales también se pueden formar en las superficies de tuberías de aceite y gas. La formación de sales reduce el rendimiento térmico de los intercambiadores de calor y también requiere mantenimiento y/o detenciones costosas. Las superficies impregnadas con líquido presentan una barrera de alta energía par ala nucleación de sales que combate la formación de sales y provoca fuerza de adhesión mucho menor en comparación con las superficies comunes y, por lo tanto, facilita la eliminación. El líquido de impregnación puede ser un líquido permanente suministrado con un recubrimiento original y/o se puede suministrar o reponer continuamente por una fase de líquido adyacente (p. ej . , aceite presente en una tubería de aceite o gas) .

En determinadas modalidades, se utilizan las superficies impregnadas con líquido para reducir la resistencia viscosa entre una superficie sólida y un líquido que fluye. Muchas aplicaciones de ingeniería, por ejemplo el transporte de petróleo crudo en tuberías, requieren el transporte de líquidos a través de tuberías durante largas distancias. Debido a las fuerzas de resistencias entre los líquidos y las superficies adyacentes, el consumo de energía asociado con el transporte de estos líquidos suele ser significativo. El uso de superficies impregnadas con líquido puede reducir en gran medida el consumo de energía en estas aplicaciones. Eligiendo de forma adecuada el líquido impregnado, las superficies impregnadas con líquido pueden presentar deslizamiento mejorado del líquido de contacto y, por lo tanto, provocar una reducción drástica de la resistencia entre líquido-sólido. En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido pueden ser eficaces para el uso en arterias y/o venas artificiales.

En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido son útiles para inhibir la corrosión. Al utilizar un líquido de impregnación resistente a la corrosión, el material sólido subyacente puede estar protegido de un ambiente corrosivo. Adicionalmente , la capacidad de las superficies impregnadas con líquido de desprender gotitas de líquido reduce la corrosión ya que la humedad es más fácil de eliminar de la superficie.

Las superficies impregnadas con líquido también se pueden utilizar en stents, arterias artificiales y/u otros implantes quirúrgicos para evitar o reducir la acumulación de depósitos .

En determinadas modalidades, una superficie impregnada con líquido se utiliza para proporcionar articulaciones de los huesos autolubricantes . Por ejemplo, a superficie impregnada con líquido se puede utilizar como material para juntas artificiales implantadas durante cirugías de reemplazo de rodilla o cadera. La superficie impregnada con líquido proporciona fricción significativamente reducida entre las superficies de contacto y también proporciona lubricación de larga duración. El líquido de impregnación puede ser un líquido permanente incorporado antes del implante o se puede suministrar continuamente por los fluidos de lubricación presentes dentro del cuerpo (p. ej . , líquido sinovial) .

Existen muchas otras aplicaciones en las cuales se pueden utilizar superficies impregnadas con líquido para proporcionar lubricación. Por ejemplo, se pueden utilizar superficies impregnadas con líquido en rodamientos, en superficies de pistones/cilindros y/o en otros dispositivos o equipos automotrices o mecánicos donde es beneficiosa una reducción en la fricción entre las superficies móviles adyacentes. En una modalidad, el líquido de impregnación dentro de la superficie proporciona un suministro de larga duración de lubricante y, por lo tanto, reduce el tiempo y energía gastados en aplicar lubricante a las ubicaciones necesarias .

Las superficies impregnadas con líquido también se pueden utilizar para proporcionar antiincrustación y/o autolimpieza . Por ejemplo, se pueden utilizar superficies impregnadas con líquido para antiincrustación combatiendo la adsorción de restos en virtud de su energía superficial. En determinadas modalidades, las partículas y químicos en la superficie impregnada con líquido se absorben y trasportan por gotitas que se desprenden de la superficie. Esta propiedad de autolimpieza es importante para muchas aplicaciones, por ejemplo vidrio autolimpiante (p. ej . , para ventanas, anteojos y/o espejos) y recubrimientos industriales .

Las superficies impregnadas con líquido también se pueden utilizar para promover la condensación de la humedad. Por ejemplo, las superficies impregnadas con líquido se pueden utilizar para desprender condensado fácilmente y mejorar así la transferencia de calor de condensación (p. ej . , condensación por goteo) . En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido se aplican a los intercambiadores de calor, desde condensadores de vapor a condensadores HVAC y a condensadores de gas natural utilizados en licuefacción de gas natural.

En determinadas modalidades, las superficies impregnadas con líquido descritas aquí son útiles para recubrimientos en equipos deportivos tales como gafas de esquí (p. ej . , antiempañamiento) , esquís, tablas de snowboard, patines de hielo, trajes de baño y similares.

La figura 15 es una imagen de una gotita de agua en una superficie que tiene una matriz de partes de postes e impregnada con aceite de silicona, contrastando un estado empalado con un estado no húmedo. En el ejemplo que muestra un estado empalado, que puede ser desfavorecido por determinadas modalidades en las cuales se desea una superficie no extremadamente humectante, la gotita es agua, el líquido es impregnado es aceite de silicona y la superficie es silicona sin tratar con postes cuadrados de 10 micrómetros que tienen espaciamiento de 10 micrómetros. En el estado empalado, el líquido no cae de la superficie. En el ejemplo que muestra un estado no húmedo, que se ve favorecido por determinadas modalidades en las cuales se desea no humectación, las condiciones son las mismas excepto que la superficie se trata con OTS (octadeciltriclorosilano) . Se pueden utilizar otros recubrimientos.

La figura 16 es un esquema que describe seis estados de humectación de una superficie impregnada con líquido, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. Los seis estados de humectación (del estado 1 al estado 6) dependen de las cuatro condiciones de humectación que se muestran al final de la figura 16 (condiciones de entre 1 y 4) . En la mayoría de las modalidades, se prefieren los estados no húmedos (estados entre 1 y 4) . Adicionalmente , cuando una película delgada se forma establemente en las partes superiores de los postes (u otras partes en la superficie), como en los estados no húmedos 1 y 3, se pueden observar propiedades no humectantes incluso más preferibles (y otras propiedades relacionadas descritas en la presente) .

Para lograr estados no húmedos, es recomendable tener baja energía de superficie sólida y baja energía de superficie del líquido impregnado en comparación con el líquido no húmedo. Por ejemplo, se prefieren energías de las superficies menores que aproximadamente 25 mJ/m2. Los líquidos de baja energía de superficie incluye determinados líquidos basados en hidrocarburo y fluorocarbono, por ejemplo, aceite de silicona, líquidos de perfluorocarbono, aceites de vacío perfluorados (p. ej . , Krytox 1506 o Fromblin 06/6), refrigerantes fluorados tales como perfluoro-tripentilamina (p. ej . , FC-70, comercializado por 3M o FC-43), líquidos iónicos fluorados que son inmiscibles con agua, aceites de silicona que comprenden PDMS y aceites de silicona fluorados .

Ejemplos de sólidos de baja energía de superficie incluyen los siguientes: silanos que terminan en una cadena de hidrocarburo (por ejemplo octadeciltriclorosilano) , silanos que terminan en una cadena de fluorocarbono (p. ej . fluorosilano) , tioles que terminan en una cadena de hidrocarburo (como butanotiol) y tioles que terminan en una cadena de fluorocarbono (p. ej . tiol perfluorodecano) . En determinadas modalidades, la superficie comprende un sólido de baja energía de superficie tal como un fluoropolímero, por ejemplo, un silsesquioxano tal como silsesquioxano oligomérico poliédrico fluorodecilo . En determinadas modalidades, el fluoropolímero es (o comprende) tetrafluoroetileno (ETFE) , copolímero de etileno-propileno fluorado (FEP) , fluoruro de polivinilideno (PVDF) , copolímero de perfluoroalcoxitetrafluoroetileno (PFA) , politetrafluoroetileno (PTFE) , tetrafluoroetileno, copolímero de perfluorometilviniléter (MFA) , copolímero de etilenclorotrifluoroetileno (ECTFE) , copolímero de etilen-tetrafluoroetileno (ETFE) , perfluoropoliéter o Tecnoflon.

En la figura 16, Gamma_wv es la energía de superficie de la fase no húmeda en equilibrio con vapor; Gamma_ow es la energía interfacial entre la fase no húmeda y el líquido impregnado; Gamma_ov es la energía de superficie de la fase de líquido impregnado en equilibrio con vacío; Gamma_sv es la energía de superficie del sólido en equilibrio con vapor; Gamma_so es la energía interfacial entre la fase impregnada y el sólido; Gamma_sw es la energía interfacial entre el sólido y la fase no húmeda; r = superficie total dividida por el área de la superficie proyectada; Theta_cl, Theta_c2, theta_c3, theta_c4, theta_wl, theta_w2, son los ángulos de contacto macroscópicos hechos por la fase no húmeda en cada estado húmedo; Theta*_os(v) es el ángulo de contacto macroscópico de aceite en el sustrato texturizado cuando la fase que rodea el sustrato texturizado es vapor; Theta_os (v) es el ángulo de contacto de aceite en un sustrato sólido suave de la misma química cuando la fase que rodea la gotita de aceite es vapor; Theta*_os (w) es el ángulo de contacto macroscópico de aceite en el sustrato texturizado cuando la fase que rodea la gotita de aceite es agua; y theta_os (w) es el ángulo de contacto de aceite en un sustrato suave de la misma química que la superficie texturizada cuando la fase que rodea la gotita de aceite es agua.

La figura 17 es un esquema que muestra las condiciones para los seis estados de humectación de una superficie impregnada con líquido que se muestra en la figura 16, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención.

Ejemplos experimentales La figura 3 incluye una fotografía de una superficie microtexturada 302, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. La superficie 302 era de silicona e incluía un patrón cuadrado de pilares de 10 µt? con una separación de 25 µt?. Como se ilustra, se impregnó una porción inferior 304 de la superficie 302 con hexadecano (un líquido de impregnación) , mientras que una porción superior 306 se impregnó con aire (es decir, sin líquido de impregnación) . Un borde 308 del hexadecano define un contorno entre la porción superior 306 y la porción inferior 304. Se logró la impregnación con hexadecano (i) sumergiendo la porción inferior 304 de la superficie 302 en un baño de hexadecano y (ii) retirando la porción inferior 304 del hexadecano a un índice lento (10 mm/min) , con la ayuda de un revestidor por inmersión. La impregnación fue fuerte ya que el hexadecano permaneció en su lugar mientras se roció con chorros de agua que tenían una velocidad de impacto de aproximadamente 5 m/s. Se midieron la histéresis del ángulo de contacto y el ángulo de caída de una gotita de agua de 7 µL sobre la porción inferior 304 de la superficie 302 (es decir, la porción impregnada con líquido de la superficie 302) . La histéresis del ángulo de contacto (CAH, por sus siglas en inglés) y el ángulo de caída fueron extremadamente bajos: CAH fue inferior a Io, mientras que el ángulo de caída fue solamente 1.7 ±0.1°.

Las figuras 4A y 4B ilustran una secuencia de imágenes de video de alta velocidad que representan el impacto de una gotita de agua 402 sobre una superficie impregnada con gas 404 y una superficie impregnada con líquido 406, respectivamente. Como se comentó anteriormente, cuando una gotita de líquido choca con una superficie, puede ejercer gran presión sobre la superficie. Esto se aplica incluso para las gotitas de tamaño milimétrico que impactan la superficie a una velocidad inferior a aproximadamente 5 m/s . Como consecuencia de estas presiones, se pueden empalar las gotitas sobre una superficie impregnada con gas, provocando así que la superficie impregnada con gas pierda su calidad mejorada de desprendimiento de gotas. El empalamiento de las gotitas se ilustra en la figura 4A en donde se muestra que la gotita se adhiere a la superficie impregnada con gas 404, en lugar de rebotar en la superficie. Para evitar la adherencia, enfoques anteriores con superficies impregnadas con gas enfatizan la introducción de la texturización a nanoescala. Sin embargo, con un enfoque de superficie impregnada con líquido, incluso las microtexturas del orden de 10 µp?, pueden desprender gotitas incidentes con éxito. Esto se muestra en la figura 4B en donde la misma microtextura que empaló la gota de agua cuando había aire presente, repelió completamente la gotita cuando estaba impregnada con hexadecano. La barra de escala 408 en estas figuras es de 3 mm.

La figura 5 incluye una secuencia de imágenes de video de alta velocidad que muestran una gotita 502 que impacta una superficie impregnada con líquido 504 inclinada a 25° con respecto a la horizontal. La gotita de agua 502 en este caso se resbaló y eventualmente rebotó sobre la superficie 504, demostrando que la superficie impregnada con líquido 504 pudo desprender a la gotita incidente con éxito y fue resistente al empalamiento . En este caso, la gotita de agua era de 2.5 mm de diámetro. La superficie impregnada con líquido 504 era una superficie microtexturada que contenía un líquido de impregnación de hexadecano en una matriz de postes cuadrados de 10 im de silicona, con una separación de 25 ym.

Las figuras 6A-6D incluyen una secuencia de imágenes ESEM que muestran la formación de escarcha sobre una superficie superhidrófoba impregnada con gas 602, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. La superficie superhidrófoba 602 incluía una matriz de postes cuadrados hidrófobos 604 con un ancho, separación entre bordes y relación de aspecto de 15 µp?, 30 pm y 7, respectivamente. La figura 6A ilustra una superficie seca (es decir, sin escarcha) , mientras que las figuras 6B-6D muestran la formación de escarcha 606 sobre la superficie. El ángulo de contacto del agua intrínsico del recubrimiento hidrófobo sobre los postes era de 110° . Se mantuvo la superficie a una temperatura de -13 °C mediante un accesorio de etapa fría de ESEM. Al principio del experimento, se mantuvo la presión de la cámara a -100 Pa, muy por debajo de la presión de saturación para garantizar una superficie seca. Luego, se aumentó lentamente la presión de vapor en la cámara hasta que se observó nucleación de la escarcha. La nucleación de la escarcha y el crecimiento se produjeron sin ninguna preferencia espacial específica sobre toda el área disponible, incluido partes superiores de postes, paredes laterales y valles, debido a la humectabilidad intrínseca uniforme de la superficie.

Las figuras 7A-7C muestran imágenes de las pruebas de impacto de las gotitas sobre superficies superhidrófobas secas y escarchadas, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. Las pruebas se realizaron utilizando gotitas de agua que tenían un radio de 1 mm y que impactaban la superficie a una velocidad de 0,7 m/s. La figura 7A es una imagen SEM de una vista superior de la superficie de la matriz de postes Si representativa 702 que tiene un ancho, separación entre bordes y relación de aspecto de 10 \im, 20 µ?? y 1, respectivamente. La figura 7B incluye una secuencia de imágenes de video de alta velocidad del impacto de una gotita sobre una superficie seca 704. Como se ilustró, la gotita retrocede desde la superficie 704 porque la presión capilar antihumectante es mayor que las presiones dinámicas humectantes. La figura 7C incluye una secuencia de imágenes de video de alta velocidad del impacto de una gotita sobre una superficie cubierta con escarcha 706. Los resultados muestran que la escarcha 706 altera las propiedades humectantes de la superficie, haciendo que la superficie sea hidrófila y provocando transición de humedad Cassie a Wenzel de la gota que impacta, fijación posterior y formación de hielo "Wenzel" sobre la superficie.

La figura 8 es una gráfica de una fuerza de adhesión al hielo normalizada contra un área de la superficie normalizada medidas, de acuerdo con determinadas modalidades de la invención. La fuerza de adhesión al hielo normalizada es la fuerza de adhesión medida con superficies texturadas dividida entre la fuerza de adhesión al hielo medida con una superficie lisa. El área de la superficie normalizada es el área de superficie total normalizada por el área proyectada. Como indica la figura, se descubrió que la fuerza de adhesión al hielo normalizada aumenta con el área de superficie normalizada y muestra una fuerte tendencia lineal. El mejor ajuste lineal a los datos (línea continua, coeficiente de correlación R2 = 0.96) tiene una pendiente de uno y pasa por el origen (extrapolado utilizando una línea discontinua) , lo que indica que el hielo está en contacto con toda la superficie disponible, incluido los lados de los postes. El enclavamiento del hielo con la superficie texturada produce mayor fuerza de adhesión. Los recuadros (a) - (d) en esta figura 8 son imágenes ópticas de vista superior de matrices de postes PDMS replicadas representativas desde espaciado disperso hasta espaciado denso (a=15 µp?, h=lO µt?, b=45, 30, 15 y 5 µp, respectivamente, en donde a, h y b son las dimensiones que se muestran en las figuras 2C y 2D) , lo que muestra la excelente calidad de replicación.

Se realizaron los experimentos de caída utilizando un ganiómetro Rame-Hart con una etapa de inclinación para medir las propiedades de desprendimiento de gotas de una superficie de poste de silicona tratada con oc t adec i 11 r ic 1 oros i 1 ano (con 25 µt? de e spac i ami ento entre postes) impregnada con hexadecano. Se midió un ángulo de caída de 1.7° ± 0.1° para una gota de 7 µ? . Los ángulos de contacto de avance y retroceso fueron 98° ± 1° y 97° + 1°, respectivamente. Este ángulo de caída muy bajo permite que la superficie impregnada con líquido desprenda gotitas de líquido rápidamente (p. ej . , antes de que se congelen en aplicaciones de lluvia helada) .

Las figuras 9 y 10 muestran mediciones experimentales de movilidad de las gotitas de agua sobre superficies impregnadas con líquido. La figura 9 es una gráfica de un ángulo de caída a (o el ángulo de inclinación) en función de la fracción sólida de la superficie F para cuatros fluidos diferentes impregnados en la superficie (las dimensiones de las partes a y b son las que se muestran en la figura 2D) . Observe que el caso del "Aire" representa una superficie superhidrófoba convencional (es decir, una superficie impregnada con gas) . La gráfica muestra que el ángulo de caída a fue muy pequeño (menos de 5o) para los aceites de silicona y no se vio afectado significativamente por la fracción sólida F. Para un líquido iónico (es decir, BMI-IM) , que no humecta por completo la superficie de impregnación, el ángulo de caída fue relativamente superior a, casi igual al caso del aire, y aumentó con la fracción sólida F debido al aumento de la fijación de la gotita sobre los micropostes. Esto es probable porque un aumento de la fracción sólida F significa más micropostes en una unidad de área. La figura 10 es una gráfica de la velocidad de deslizamiento de la gotita de agua v0, para una prueba en la cual la superficie se inclinó a 30°, en función de la fracción sólida F para el aceite de silicona 1000 cSt . La gráfica muestra que la velocidad de deslizamiento v0 disminuyó cuando aumentó la fracción sólida F, debido al aumento de fijación.

Las figuras 11 y 12 muestran mediciones experimentales adicionales de velocidad de deslizamiento de la gotita de agua va para diferentes fluidos de impregnación que tienen diferentes viscosidades, cuando se inclinó la superficie 30°. Las figuras muestran que la velocidad de deslizamiento va con aire es mayor que con los aceites de silicona, pero la velocidad de deslizamiento 0 tiene la misma tendencia a disminuir con la fracción sólida F debido al aumento de fijación. La figura 12 es una gráfica de velocidad de deslizamiento v0 en función de la fracción sólida para aceite de silicona 10 cSt . La gráfica muestra que la magnitud de velocidad de deslizamiento vQ es mayor que con 1000 cSt pero inferior que con aire. La tendencia con la fracción sólida F permanece igual. Las mediciones en las figuras 10 y 12 muestran que la movilidad de las gotitas (p. ej . , velocidad de deslizamiento v0) aumenta a medida que disminuye la viscosidad del líquido de impregnación. Esto sugiere que la mayor movilidad se logra probablemente por los fluidos de impregnación de baja viscosidad, como el aire.

En un experimento, se varió la viscosidad del líquido de impregnación para determinar la influencia de la viscosidad sobre el impacto de una gotita. La superficie utilizada para la prueba incluía micropostes de silicona (10x10x10 µp?) con un espaciamiento entre postes de 10 ¡um. Cuando la viscosidad del líquido de impregnación fue 10 cSt, la gotita de agua incidente pudo rebotar sobre la superficie impregnada con líquido. Por el contrario, cuando la viscosidad del líquido de impregnación fue 1000 cSt, la gotita de agua incidente permaneció sobre la superficie (es decir, no rebotó sobre la superficie) . A diferencia de un experimento de impacto similar realizado con una superficie impregnada con gas, sin embargo, la gotita pudo rodar posteriormente por la superficie, aunque la velocidad de deslizamiento fue baja.

Las figuras 13 y 14 incluyen imágenes de Environmental SEM (ESEM) de nucleación de escarcha en superficies de microposte impregnadas con aceite de silicona. La figura 13 muestra una superficie 1402 antes de disparar la nucleación. La figura 14 muestra una superficie 1404 durante la nucleación e indica que la escarcha 1306 tuvo tendencia a nuclearse sobre las partes superiores de los micropostes.

Equivalentes Aunque la invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a modalidades preferidas específicas, los entendidos en la técnica deben comprender que se pueden hacer diversos cambios en la forma y los detalles sin apartarse del espíritu y el alcance de la invención definidos por las reivindicaciones adjuntas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (29)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes rei indicaciones :

1. Un articulo caracterizado porque comprende una superficie impregnada con liquido, la superficie comprende una matriz de partes espaciadas suficientemente cerca para contener de forma estable un liquido entre ellas o dentro de las mismas.

2. El articulo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el liquido tiene una viscosidad a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 1000 cP.

3. El articulo de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el liquido tiene una presión de vapor a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 20 mm Hg.

4. El articulo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el liquido tiene una viscosidad a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 100 cP.

5. El articulo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el liquido tiene una viscosidad a temperatura ambiente no mayor que aproximadamente 50 cP.

6. El articulo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes tienen una altura sustancialmente uniforme y en donde el liquido llena el espacio entre las partes y cubre las partes con una capa de al menos aproximadamente 5 nm de grosor sobre la parte superior de las partes .

7. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes definen poros u otros orificios y en el cual el líquido llena las partes .

8. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el líquido tiene un ángulo de contacto de retroceso de 0° para que el líquido forme una película delgada estable en la parte superior de las partes .

9. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la matriz tiene un espaciamiento entre partes de entre aproximadamente 1 micrómetro y aproximadamente 100 micrómetros.

10. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la matriz tiene un espaciamiento entre partes de entre aproximadamente 5 nanómetros y aproximadamente 1 micrómetro.

11. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la matriz comprende estructuras jerárquicas.

12. El artículo de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque las estructuras jerárquicas son partes a microescala que comprenden partes a nanoescala sobre ellas .

13. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes tienen una altura no mayor que aproximadamente 100 micrómetros .

14. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes son postes.

15. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes comprenden al menos un miembro seleccionado del grupo que consiste en una partícula esférica, una nanoaguja, un "nanograss" (nanohierba) y una parte de geometría aleatoria que proporciona rugosidad de superficie.

16. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes comprenden al menos un miembro seleccionado del grupo que consiste en un poro, una cavidad, poros interconectados y cavidades interconectadas .

17. El artículo de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la superficie comprende medios porosos con diversos poros que tienen diferentes tamaños.

18. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el líquido comprende un miembro seleccionado del grupo que consiste en aceite de silicona, un líquido de perfluorocarbono, un aceite de vacío perfluorofluorado (por ejemplo Krytox 1506 o Fromblin 06/6), un refrigerante fluorado (p. ej . , perfluoro-tripentilamina vendido como FC-70, fabricado por 3M) , un líquido iónico, un líquido iónico fluorado que es inmiscible con agua, un aceite de silicona que comprende PDMS, un aceite de silicona fluorado, un metal líquido, un fluido electrorreológico, un fluido magnetorreológico, un ferrofluido, un líquido dieléctrico, un líquido de hidrocarburo, un líquido de fluorocarbono, un refrigerante, un aceite de vacío, un material de cambio de fase, un semilíquido, grasa, líquido sinovial, un fluido corporal.

19. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es un miembro seleccionado del grupo que consiste en una parte de turbina de vapor, una parte de turbina de gas, una parte de aeronave y una parte de turbina de viento, y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para repeler el líquido incidente.

20. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es un miembro seleccionado del grupo que consiste en anteojos y un espejo, y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir el empañamiento .

21. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es un miembro seleccionado del grupo que consiste en una parte de aeronave, una turbina de viento, una línea de transmisión de energía y un parabrisas, y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación de hielo.

22. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es una tubería (o una parte o recubrimiento de esta) y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación de hidratos y/o mejorar el deslizamiento (reducir la resistencia) del fluido que fluye sobre ella.

23. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es una parte de termocamblador o una tubería de aceite o gas (o una parte o recubrimiento de esta) y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la formación y/o adhesión de sal sobre ella.

24. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque la superficie impregnada con líquido está configurada para inhibir la corrosión .

25. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es una junta artificial y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para reducir la fricción entre las superficies de contacto y/o proporcionar lubricación de larga duración de la junta.

26. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es una pieza de motor (p. ej . , pistón o cilindro) y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para proporcionar lubricación de larga duración de la pieza.

27. El artículo de conformidad con la reivindicación 25 o 26, caracterizado porque la superficie impregnada con líquido está configurada para liberar líquido desde la superficie a lo largo del tiempo, proporcionando así lubricación a lo largo del tiempo.

28. El artículo de cualquiera de conformidad con las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque la superficie impregnada con líquido es una superficie antiincrustante configurada para combatir la adsorción de restos en ella.

29. El artículo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es una parte de termocamblador y en donde la superficie impregnada con líquido está configurada para facilitar desprendimiento de condensado en ella, mejorando así la transferencia de calor de condensación.