Cómo evitar que las partículas se agrupen en la superficie del agua

Question

Para mi experimento tengo que obtener una superficie de agua (1 m $^2$ ) sembrada con partículas flotantes. Encontré partículas de tamaño y densidad adecuados (y a un precio muy aceptable): granulado de vidrio expandido. Sin embargo, como otras partículas, las partículas forman racimos y se pegan a las paredes de mi acuario.

¿Cómo puedo evitar que las partículas formen racimos (probablemente tiene que ver con la tensión superficial/hidrofobicidad)? He intentado pintar las partículas con pintura de coche, lo que ha mejorado su comportamiento, pero siguen formando grupos.

¿Pintar/revestir las partículas es una solución y, en caso afirmativo, qué tipo de pintura/revestido debo utilizar?

Algo más sobre el experimento : El objetivo del experimento es realizar PIV (Particle image velocimetry) de superficie. Así que mientras la hidrodinámica no se vea afectada (demasiado) añadir productos químicos/pintura no es un problema.

Answer 1

Esto se llama a veces el "Efecto Cheerios". Básicamente se produce porque cada objeto flotante forma un menisco, y otros objetos flotantes quieren "moverse hacia abajo" en este menisco. El menisco se forma (a grandes rasgos) porque las interfaces entre las esferas, el agua y el aire forman un ángulo preferente, conocido como ángulo de humectación.

Si uno pudiera ajustar las cosas para que no se formara este menisco, no habría atracción. Probablemente no tengas mucho control sobre la fuerza de flotación o la densidad de las esferas, pero aplicando un recubrimiento a las esferas podrías cambiar el ángulo de humectación para evitar la formación de meniscos. (¿Meniscos?) Aquí tienes un cálculo aproximado de lo que deberías buscar.

Al estilo de la física clásica, voy a suponer que las partículas son esferas. La "profundidad" del menisco viene determinada por un equilibrio de fuerzas entre la flotabilidad de la partícula (hacia arriba), la tensión superficial del agua (paralela a la superficie del agua, en el punto de contacto) y el peso de la partícula, con la condición de que el ángulo entre la superficie de la partícula y la del agua sea el ángulo de humectación $\theta$ . (Véase la figura 7 en el documento enlazado anteriormente.) En particular, si se da el caso de que la fuerza de flotación sobre la esfera equilibra su peso exactamente, y que la geometría resultante implica que la superficie del agua se encuentra con la esfera en el ángulo de humectación, entonces las fuerzas de tensión superficial serán puramente horizontales, no se formará ningún menisco y los objetos no se agruparán:

Para que esto sea así, tenemos que hacer que el peso de la esfera sea igual al peso del fluido desplazado (en la región sombreada de arriba.) El volumen de la esfera es $\frac{4}{3} \pi R^3$ y el volumen del fluido desplazado es $$ V = \frac{\pi R^3}{3} (2 - 3 \cos \theta + \cos^3 \theta). $$ Así que la relación de las densidades debe ser igual a la relación de estos volúmenes: $$ \frac{\rho_s}{\rho_w} = \frac{1}{4} (2 - 3 \cos \theta + \cos^3 \theta) $$

Esto significa que para una relación dada de las densidades, hay un ángulo de humectación determinado que funcionará para evitar la formación de un menisco. Dado que la densidad de las esferas y la densidad del agua son prácticamente fijas, habrá que recubrirlas de manera que el ángulo de humectación se acerque a este valor especial. La forma de hacerlo no es mi especialidad (sólo soy un teórico), pero espero que esto te dé una idea de lo que debes buscar.