Capillary breakup of free and wetting liquid bridges of aqueous xanthan gum solutions

Resumen Técnico: Ruptura Capilar de Puentes Líquidos Libres y de Humectación de Soluciones Acuosas de Goma Xantana

Planteamiento del Problema
La ruptura de puentes líquidos impulsada por capilaridad es un fenómeno fundamental en la mecánica de fluidos interfacial con aplicaciones que van desde la impresión por inyección de tinta hasta la microfluídica. Mientras que la dinámica de líquidos newtonianos y de soluciones de polímeros flexibles está relativamente bien comprendida, el comportamiento de los polímeros semiflexibles, como la goma xantana (XG), presenta desafíos distintos. Estudios previos han destacado que las soluciones de XG exhiben una reología extensional diferente a la de los polímeros flexibles, mostrando a menudo una respuesta elasto-capilar de corta duración. Sin embargo, existe una brecha significativa en la comprensión de cómo se comportan estos polímeros semiflexibles en puentes líquidos de humectación (donde el líquido permanece adherido a sustratos sólidos). A diferencia de los puentes libres, los puentes de humectación involucran deformaciones extensionales-por cizalladura acopladas, geometrías no axisimétricas y fricción de la línea de contacto (CLF). No está claro si la dinámica de ruptura de los puentes de XG de humectación está gobernada principalmente por el comportamiento de adelgazamiento por cizalladura (shear-thinning) o si la dinámica extensional y la arquitectura molecular juegan un papel dominante, y cómo la humectabilidad del sustrato influye en estos procesos.

Metodología
Los autores realizaron experimentos de imagen de alta velocidad para investigar la dinámica de ruptura de soluciones acuosas de XG en dos configuraciones:

1. Puentes Líquidos Libres: Formados entre dos placas paralelas (configuración de goteo) en aire.
2. Puentes Líquidos de Humectación: Formados sobre sustratos sólidos (configuración de chip microfluídico) donde los puentes líquidos conectan dos salidas de canales en una superficie.

El estudio utilizó soluciones de XG con concentraciones variables (hasta 400 ppm) y viscosidades de solvente (mezclas de agua/glicerol). Los sustratos fueron recubiertos con silanos para crear superficies hidrofílicas (TFPTS) e hidrofóbicas (PFDTS). Para minimizar los efectos electrostáticos, todos los montajes fueron conectados a tierra.

La herramienta analítica principal fue una representación en el espacio de fases, que grafica la velocidad de ruptura ($U$) frente al diámetro/ancho mínimo del puente ($d$). Se eligió este enfoque en lugar de simples gráficos de evolución temporal ($d$ vs. $t$) para revelar mejor las dinámicas de adelgazamiento instantáneo, identificar transiciones de régimen y proporcionar un marco objetivo para comparar diferentes líquidos sin depender de la determinación precisa del inicio de la inestabilidad o del tiempo de ruptura.

Resultos Clave

• Puentes Líquidos Libres:

  • Se identificaron tres regímenes dinámicos distintos: un régimen inicial de inercia-capilaridad (IC), un régimen elasto-capilar (EC) de corta duración y un régimen viscoso-capilar (TVC) terminal.
  • El inicio del régimen EC estuvo marcado por un "quiebro" o máximo local en la curva $U-d$. El estudio encontró que la velocidad crítica en este inicio escala con la viscosidad del solvente ($U_c \sim \eta_s^{-0.54}$) pero es casi independiente de la concentración de polímero, lo que sugiere que la transición es impulsada por una tasa de deformación crítica relacionada con la orientación molecular.
  • En el régimen TVC, la viscosidad extensional efectiva escaló linealmente tanto con la concentración de polímero como con la viscosidad del solvente ($\eta_{eff} \propto c \eta_s$). Esto indica una respuesta extensional efectivamente similar a la de una solución diluida, a pesar de que las soluciones son semi-diluidas bajo condiciones de equilibrio. Los autores atribuyen esto a la naturaleza semiflexible de la XG, que se alinea con el flujo en lugar de experimentar una transición drástica de ovillo-estiramiento (coil-stretch), lo que limita las interacciones intermoleculares incluso a concentraciones más altas.
  • El reescalado de los perfiles del puente mediante el diámetro crítico ($d_c$) reveló una evolución casi universal de la forma del puente libre.

• Puentes Líquidos de Humectación:

  • A diferencia de los puentes libres, los puentes de humectación no exhibieron transiciones de régimen distintas. La dinámica se mantuvo consistente con una respuesta única de tipo viscoso-capilar terminal durante todo el proceso de ruptura.
  • La misma ley de escala que colapsó el régimen TVC de los puentes libres ($U \propto \gamma / (c \eta_s)$) colapsó con éxito la dinámica de ruptura de los puentes de humectación para diversas concentraciones y viscosidades de solvente en una curva maestra.
  • Los autores hipotetizan que la historia de flujo combinada (formación del puente, cizalladura inducida por el sustrato y adelgazamiento capilar) modifica las conformaciones de los polímeros tempranamente en el proceso, oscureciendo las transiciones del régimen EC observadas en los puentes libres.
  • Humectabilidad del Sustrato: Los puentes de XG de humectación mostraron una dependencia notablemente más débil de la humectabilidad del sustrato (hidrofílico vs. hidrofóbico) en comparación con los líquidos newtonianos. Mientras que los puentes newtonianos mostraron cambios significativos en la velocidad de ruptura con la humectabilidad, las soluciones de XG fueron mayormente insensibles, excepto a concentraciones muy bajas. Esto se atribuye a que los esfuerzos viscosos del volumen dominan sobre la fricción de la línea de contacto (CLF) en las soluciones de XG.
  • Los puentes de XG de humectación exhibieron una mayor elongación axial y suprimieron la formación de cuellos secundarios en comparación con los líquidos newtonianos, apoyando aún más la reducción de la influencia de la CLF.
  • El reescalado de los perfiles de la línea de contacto mediante la longitud característica $d_1$ (asociada al primer máximo de velocidad) reveló una evolución universal del perfil de la línea de contacto de humectación.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que proporciona nuevas perspectivas sobre la ruptura capilar de soluciones de polímeros semiflexibles al demostrar que:

1. Escalamiento Unificado: A pesar de las diferencias fundamentales en la geometría del flujo (libre vs. de humectación), ambos sistemas pueden describirse dentro de un marco de escalamiento unificado basado en la viscosidad extensional efectiva.
2. Supresión del Régimen EC: La presencia de un sustrato sólido altera fundamentalmente la evolución de las conformaciones de los polímeros, suprimiendo la respuesta elasto-capilar distinta típicamente vista en puentes libres de polímeros semiflexibles.
3. Dominancia Extensional vs. Cizalladura: Los resultados sugieren que, para los puentes de humectación de polímeros semiflexibles, la dinámica de ruptura está dominada por esfuerzos viscosos de tipo extensional en lugar de los efectos de adelgazamiento por cizalladura o la fricción de la línea de contacto, aunque el campo de flujo esté acoplado.
4. Limitaciones de la Extrapolación: El estudio enfatiza que las conclusiones extraídas de los experimentos de puentes líquidos libres no pueden extenderse directamente a las geometrías soportadas por sustratos, ya que el sustrato modifica significamente los regímenes dinámicos y el papel de la arquitectura molecular.

Los autores mantienen la modestia respecto a los mecanismos precisos de la supresión del régimen EC en los puentes de humectación, señalando que la interacción exacta entre la historia de flujo y la conformación del polímero requiere mayor investigación. También reconocen que la concentración de solapamiento ($c^*$) para la XG está sujeta a incertidumbre debido a las variaciones en la fuerza iónica, aunque argumentan que el escalamiento observado es robusto a través del rango probado.