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| Representación artística de la capa líquida de moléculas que repelen las gotas de agua. Crédito: Ekaterina Osmekhina/Aalto University |
Las superficies omnifóbicas similares a los líquidos son un nuevo tipo de superficie repelente de líquidos que ofrece muchas ventajas técnicas sobre los enfoques tradicionales. Tienen capas moleculares muy móviles pero unidas covalentemente al sustrato, lo que confiere a las superficies sólidas una cualidad líquida que actúa como una capa de lubricante entre las gotas de agua y la propia superficie. En una nueva investigación, un equipo de científicos dirigido por la Universidad de Aalto utilizó un reactor especialmente diseñado para crear una capa de moléculas similares a un líquido, llamadas monocapas autoensambladas, sobre una superficie de silicio.
La antihumectabilidad, la capacidad de una superficie para repeler líquidos, es crucial para muchos aspectos de la vida cotidiana y la industria.
Las superficies antihumectantes avanzadas capaces de eliminar líquidos de forma pasiva han despertado un interés creciente por sus posibles aplicaciones en antiincrustantes, antihielo, reducción del arrastre, separación de membranas y mejora de la transferencia de calor.
Inspiradas en las superficies biológicas y aprovechando los avances de las técnicas de nanofabricación, desde la década de 1990 se ha desarrollado un gran número de superficies avanzadas que repelen los líquidos, como las superficies superhidrofóbicas mediadas por aire (SHPS), las superficies superoleofóbicas (SOPS) y las superficies porosas resbaladizas con lubricante mediadas por líquido (SLIPS).
Las superficies repelentes de líquidos mediadas por aire (como las SHPS y las SOPS) se basan en una capa de aire atrapada en la estructura de la superficie para repeler líquidos.
La captura estable de la capa de aire suele requerir la combinación de una química superficial de baja energía y estructuras superficiales específicas, como micro/nanoestructuras jerárquicas para las SHPS o estructuras reentrantes para las SOPS.
Junto al progreso de las superficies mediadas por aire y las mediadas por líquido, ha florecido un nuevo campo de investigación: el desarrollo de superficies omnifóbicas similares a los líquidos mediante el injerto covalente de cepillos poliméricos altamente flexibles o monocapas de alquilo en superficies sólidas lisas.
"Nuestro trabajo es la primera vez que se llega directamente al nivel nanométrico para crear superficies molecularmente heterogéneas", explica Sakari Lepikko, investigador doctoral de la Universidad de Aalto.
"Ajustando cuidadosamente condiciones como la temperatura y el contenido de agua dentro del reactor, pudimos ajustar con precisión qué parte de la superficie de silicio cubría la monocapa".
"Me parece muy emocionante que, integrando el reactor con un elipsómetro, podamos observar el crecimiento de las monocapas autoensambladas (SAM) con un nivel de detalle extraordinario".
"Los resultados mostraron más resbaladicidad cuando la cobertura de SAM era baja o alta, que son también las situaciones en las que la superficie es más homogénea."
"A baja cobertura, la superficie de silicio es el componente más prevalente, y a alta, lo son las SAM".
"Resultaba contraintuitivo que incluso con una cobertura baja se obtuviera una resbaladicidad excepcional".
Con una cobertura baja, el agua se convierte en una película sobre la superficie, lo que se pensaba que aumentaba la fricción.
"Sin embargo, cuando la cobertura es baja, el agua fluye libremente entre las moléculas de la SAM y se desliza por la superficie", explica Lepikko.
"Y cuando la cobertura de SAM es alta, el agua permanece en la parte superior 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.
"Cosas como la transferencia de calor en tuberías, el deshielo y el antivaho son usos potenciales", afirma Lepikko.
"También ayudará en microfluídica, donde las gotitas diminutas deben moverse con suavidad, y en la creación de superficies autolimpiables".
"Nuestro mecanismo contraintuitivo es una nueva forma de aumentar la movilidad de las gotas en cualquier lugar donde se necesite".
El equipo planea ahora seguir experimentando con su configuración de monocapa de autoensamblaje y mejorar la propia capa.
"El principal problema de una capa SAM es que es muy fina, por lo que se dispersa fácilmente tras el contacto físico", explica Lepikko.
"Pero su estudio nos aporta conocimientos científicos fundamentales que podemos utilizar para crear aplicaciones prácticas duraderas".
Fuentes, créditos y referencias:
Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01346-3
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