Podría reducir el consumo de combustible y aumentar la vida útil de los barcos
Los tiburones en la naturaleza nadan a altas velocidades en un océano profundo debido a su alta capacidad de reducción de la resistencia. Los flujos de agua alrededor de la piel del tiburón se ven interrumpidos por estructuras de microescala escalonadas y superpuestas llamadas dentículos.
Además de esta rugosidad de la superficie, el agua se desliza en una interfaz líquido-sólido con múltiples microrritillas en forma de surcos en microdentículos individuales.
Además, la piel de tiburón presenta una alta resistencia a la penetración debido a su estructura de cuatro capas, desde el esmalte hasta la dermis. Hay gradientes mecánicos en capas duros sobre blandos desde el exterior hacia el interior de la piel de tiburón.
Esta piel de tiburón única y funcional que se encuentra en la naturaleza motiva este estudio, el primero en microfabricar microdentículos tridimensionales superpuestos (3D) con microrritillas afiladas. La piel de tiburón artificial 3D pudo lograr múltiples funcionalidades imitando las características morfológicas y materiales de la piel de tiburón natural.
Se han realizado muchos estudios previos para desarrollar piel de tiburón artificial que imite la piel de tiburón natural con ventajas funcionales. Sin embargo, ha sido difícil formar una morfología superpuesta en 3D manteniendo al mismo tiempo la forma de las microrritillas en los microdentículos. La deformación térmica no deseada sigue siendo un problema para los microdentículos a base de polímeros dispuestos periódicamente con espacios estrechos.
Para resolver este problema, Wie y sus colegas fabricaron microdentículos con textura de costillas utilizando un compuesto de partículas magnéticas y polímeros elastoméricos. A continuación, se indujo a los microdentículos 3D a doblarse hasta que se superpusieron entre sí bajo un campo magnético externo.
Si bien es un concepto interesante, existe la necesidad de arreglar esta superposición magnética para funcionalizar la piel de tiburón bajo la eliminación del campo magnético. "Hemos desarrollado recientemente una estrategia química de fijación de formas para fabricar piel de tiburón superpuesta en 3D", dijo Jeong Jae Wie, profesor del Departamento de Ingeniería Orgánica y Nano de la Universidad de Hanyang.
"Los microdentículos deben accionarse en dirección inversa para cubrir una fina capa de una resina líquida de polímero sobre la piel del tiburón. Después de cambiar la actuación en dirección hacia adelante, se cura una fina capa de polímero, completando la microfabricación de piel de tiburón artificial 3D con superposición magnética inmovilizada", dijo Jeong Eun Park, primer autor del estudio publicado.
Vídeo: Piel de tiburón 3D eléctricamente conductora, microfabricada mediante accionamientos magnéticos. Crédito: Universidad de Hanyang.
"Un punto único de este trabajo es la capacidad de su piel de tiburón artificial en 3D para demostrar múltiples funcionalidades, mientras que otros estudios sólo han podido documentar una o dos características", dijo el colaborador de Wie, Seung Goo Lee de la Universidad de Ulsan.
El equipo de investigación demostró por primera vez la reducción de la resistencia, una funcionalidad representativa de la piel de tiburón natural. La piel de tiburón artificial 3D con hidrofobicidad reduce la resistencia cuando el agua fluye en la dirección frontal de las microrrollas.
"En nuestra piel de tiburón hidrofóbica, microburbujas de aire quedan atrapadas entre microdentículos superpuestos, lo que provoca que la capa de agua se deslice sobre las burbujas de aire", añadió el colaborador de Wie, Rhokyun Kwak de la Universidad de Hanyang.
Además de esta funcionalidad de reducción de la resistencia, su piel de tiburón artificial 3D exhibe baja fricción al raspar la muestra en la dirección frontal y alta robustez mecánica con recuperación estructural, debido a la arquitectura de microdentículos superpuestos escalonados.
"Curiosamente, estas funcionalidades podrían mejorarse recubriendo la piel de tiburón mecánicamente blanda a base de polímero con una fina capa a nanoescala de material mecánicamente frágil. Este concepto está motivado por la estructura de capas duras sobre blandas de la piel de tiburón natural", añade Wie.
"Por lo general, la película mecánicamente blanda tiene una alta fricción superficial contra el contacto con los obstáculos circundantes. Sin embargo, en este trabajo, el coeficiente de fricción disminuye cuando se recubre piel de tiburón con una fina cerámica porque las características duras y flexibles coexisten en esta piel de tiburón de tres capas", explicó la colaboradora de Wie, Sanha Kim, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea.
Imagen derecha: Estrategia de microfabricación mediante accionamientos magnéticos para la piel de tiburón artificial 3D.
Posteriormente, el equipo de Wie cubrió la piel de tiburón de tres capas con un metal fino. En una prueba de indentación, la piel de tiburón de cuatro capas mostró una mayor dureza y trabajo recuperable, en comparación con la piel de tiburón polimérica sin recubrimiento. Especialmente en la característica de recuperación estructural, "el trabajo recuperable se puede almacenar en los microdentículos doblados, mientras que las finas capas de materiales mecánicamente frágiles pueden mejorar la energía de tensión elástica de la piel de tiburón artificial 3D", añadió Kim.
Además, para aplicaciones electrónicas microtexturizadas, cuando la piel de tiburón a base de polímero se recubre con un material MXene eléctricamente conductor, tiene una baja resistencia eléctrica de 5,3 Ω.
"La piel de tiburón recubierta de MXene permite el calentamiento en julios con alta temperatura incluso cuando se aplica un bajo voltaje (por ejemplo, 230°C a 2,75 V). Además, debido a la hidrofilicidad del material MXene, las propiedades humectantes de la piel de tiburón también cambian de hidrofóbicas a hidrofílicas", dijo el colaborador de Wie, Tae Hee Han de la Universidad de Hanyang.
"Esta investigación es la primera en informar sobre múltiples funcionalidades demostrables por la piel de tiburón artificial en 3D, con muchas aplicaciones potenciales en una variedad de campos", dijo Lee. Por ejemplo, si la tecnología de esta piel de tiburón artificial multifuncional se utilizara en la industria naviera, se podría generar eficiencia económica reduciendo el consumo de combustible y aumentando la vida útil del barco.
"En cuanto a aplicaciones futuras, se puede esperar que los barcos con nuestra piel de tiburón artificial 3D naveguen más rápido con menor resistencia, menos fricción en contacto con los obstáculos circundantes y menos daños por impactos externos en el océano", añadió Wie.
El estudio se ha publicado en Advanced Materials: Programming Anisotropic Functionality of 3D Microdenticles by Staggered‐Overlapped and Multilayered Microarchitectures
