Nuevo mecanismo para crear superficies repelentes al agua
Investigadores han desarrollado un nuevo mecanismo para hacer que las gotas de agua se deslicen de las superficies.
El descubrimiento desafía las ideas existentes sobre la fricción entre superficies sólidas y agua y abre una nueva vía para estudiar el deslizamiento de las gotas a nivel molecular. La nueva técnica tiene aplicaciones en una variedad de campos, incluidos la fontanería, la óptica y las industrias automotriz y marítima.
A nuestro alrededor, el agua siempre interactúa con superficies sólidas. La cocina, el transporte, la óptica y cientos de otras tecnologías se ven afectadas por la forma en que el agua se adhiere a las superficies o se desliza por ellas. Comprender la dinámica molecular de estas microscópicas gotas ayuda a los científicos e ingenieros a encontrar formas de mejorar muchas tecnologías domésticas e industriales.
Las superficies similares a los líquidos son un nuevo tipo de superficie repelente de gotas que ofrece muchos beneficios técnicos sobre los enfoques tradicionales, un tema revisado recientemente por el profesor Robin Ras de la Universidad Aalto. Tienen capas moleculares que son muy móviles pero unidas covalentemente al sustrato, lo que da a las superficies sólidas una calidad líquida que actúa como una capa de lubricante entre las gotas de agua y la superficie misma.
Un equipo de investigación dirigido por Ras utilizó un reactor especialmente diseñado para crear una capa de moléculas similar a un líquido, llamada monocapas autoensambladas (SAM), sobre una superficie de silicio.
Observando cómo crecen las monocapas autoensambladas
"Nuestro trabajo es la primera vez que alguien ha ido directamente al nivel nanométrico para crear superficies molecularmente heterogéneas", dice el investigador doctoral Sakari Lepikko, autor principal del estudio.
Al ajustar cuidadosamente condiciones como la temperatura y el contenido de agua dentro del reactor, el equipo pudo ajustar qué parte de la superficie de silicio cubría la monocapa.
"Me parece muy interesante que, al integrar el reactor con un elipsómetro, podamos observar cómo crecen las monocapas autoensambladas con un extraordinario nivel de detalle", dice Ras.
"Los resultados mostraron mayor deslizamiento cuando la cobertura SAM era baja o alta, que son también las situaciones en las que la superficie es más homogénea. Con una baja cobertura, la superficie de silicio es el componente más frecuente, y con una cobertura alta, las SAM son las más frecuentes". "Era contradictorio que incluso una cobertura baja produjera un deslizamiento excepcional", continúa Lepikko.
Imagen: Control de la fricción de la línea de contacto (CLF) ajustando la hidrofobicidad de la superficie con monocapa autoensamblada (SAM) de octiltriclorosilano (OTS)
Con una baja cobertura, el agua se convierte en una película sobre la superficie, lo que se pensaba que aumentaba la cantidad de fricción. "Descubrimos que, en cambio, el agua fluye libremente entre las moléculas de la SAM con una baja cobertura de la SAM, deslizándose fuera de la superficie. Y cuando la cobertura de la SAM es alta, el agua permanece encima de la SAM y se desliza con la misma facilidad. Sólo entre estos dos estados el agua se adhiere a las SAM y se pega a la superficie".
El nuevo método resultó excepcionalmente eficaz, ya que el equipo creó la superficie líquida más resbaladiza del mundo.
Antiempañamiento, deshielo, autolimpieza
El descubrimiento promete tener implicaciones allí donde se necesiten superficies repelentes de gotas. Según Lepikko, esto abarca cientos de ejemplos, desde la vida cotidiana hasta soluciones industriales.
"Cosas como la transferencia de calor en tuberías, el deshielo y el antivaho son usos potenciales. También ayudará con los microfluidos, donde las pequeñas gotas deben moverse suavemente, y con la creación de superficies autolimpiantes. Nuestro mecanismo contrario a la intuición es una nueva forma de aumentar la movilidad de las gotas en cualquier lugar donde sea necesario", dice Lepikko.
A continuación, el equipo planea continuar experimentando con su configuración de monocapa autoensamblable y mejorar la capa en sí. Lepikko está especialmente entusiasmado con la información que este trabajo ha proporcionado para futuras innovaciones.
"El principal problema con un recubrimiento SAM es que es muy delgado, por lo que se dispersa fácilmente después del contacto físico. Pero estudiarlo nos brinda conocimiento científico fundamental que podemos utilizar para crear aplicaciones prácticas duraderas".
La investigación utilizó la infraestructura de investigación nacional OtaNano y fue realizada por el grupo Materia Blanda y Humectación del Departamento de Física Aplicada, que también ha producido otros materiales pioneros repelentes al agua.
Los hallazgos se describen en un artículo publicado en Nature Chemistry: Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale
