Cuando se trata de diseñar superficies extremadamente repelentes al agua, la forma y el tamaño importan. Ese es el hallazgo de un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. que investigó los efectos de formas diferentes, texturas a nanoescala en la capacidad de un material para forzar que las gotas de agua se caigan sin mojar su superficie. Estos hallazgos y los métodos utilizados para fabricar dichos materiales, publicados en línea el 21 de octubre de 2013, en Materiales avanzados -son muy relevantes para una amplia gama de aplicaciones donde la resistencia al agua es importante, incluida la generación de energía y el transporte.

"La idea de que las texturas microscópicas pueden impartir un material con propiedades repelentes al agua tiene su origen en la naturaleza, ", explicó el físico y autor principal de Brookhaven, Antonio Checco." Por ejemplo, las hojas de las plantas de loto y los exoesqueletos de algunos insectos tienen texturas a pequeña escala diseñadas para repeler el agua atrapando el aire. Esta propiedad, llamado 'superhidrofobicidad' (o súper odio al agua), permite que las gotas de agua se caigan fácilmente, llevando partículas de suciedad junto con ellos ".

Imitar este mecanismo de autolimpieza de la naturaleza es relevante para una amplia gama de aplicaciones, como no ensuciante, antihielo, y revestimientos antibacterianos. Sin embargo, Las superficies superhidrofóbicas diseñadas a menudo fallan en condiciones que involucran altas temperaturas, presión, y humedad, como parabrisas de automóviles y aviones y generadores de energía de turbinas de vapor, cuando el aire atrapado en la textura puede ser propenso a escapar. Por eso, los científicos han estado buscando esquemas para mejorar la robustez de estas superficies retrasando o previniendo el escape de aire.

Creando texturas a nanoescala

"En principio, la alta robustez requerida para varias aplicaciones podría lograrse con características de textura tan pequeñas como 10 nanómetros (mil millonésimas de metro) porque la presión necesaria para que el líquido se infiltre en la textura y expulse el aire aumenta drásticamente con la reducción del tamaño de la textura, ", explicó Checco." Pero en la práctica, es difícil encoger las características de la textura de la superficie mientras se mantiene el control sobre su forma ".

"Para este trabajo, hemos desarrollado un enfoque de fabricación basado en el autoensamblaje de nanoestructuras, lo que nos permite controlar con precisión la geometría de la textura de la superficie en un área tan grande como queramos, en principio, incluso tan grandes como metros cuadrados, "Dijo Checco.

El procedimiento para crear estas superficies nanoestructuradas superhidrofóbicas, desarrollado en colaboración con científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, aprovecha la tendencia de los materiales de "copolímeros de bloque" a autoorganizarse espontáneamente a través de un mecanismo conocido como separación de microfases. El proceso de autoensamblaje da como resultado películas delgadas de polímero con dimensiones ajustables de 20 nanómetros o menos. El equipo utilizó estas películas de polímeros nanoestructurados como plantillas para crear superficies nanotexturizadas al combinarlas con los métodos de procesamiento de películas delgadas más comúnmente utilizados en la fabricación de dispositivos electrónicos. por ejemplo, grabando selectivamente partes de la superficie para crear diseños texturizados.

"Este nuevo enfoque aprovecha nuestros métodos de procesamiento de película delgada, para adaptar con precisión la geometría de la nanotextura de la superficie mediante el control de las condiciones de procesamiento, ", dijo el físico y coautor de Brookhaven, Charles Black.

El efecto de la forma

Los científicos crearon y probaron nuevos materiales con diferentes texturas a nanoescala, algunos decorados con pequeños pilares cilíndricos de lados rectos y algunos con conos de lados angulares. También pudieron controlar el espacio entre estas características a nanoescala para lograr una fuerte repelencia al agua.

Después de recubrir sus materiales de prueba con una película delgada de material similar a la cera, Los científicos midieron cómo las gotas de agua rodaban por cada superficie a medida que se inclinaban desde posiciones verticales a planas y compararon el comportamiento con el de los sólidos sin textura.

"Si bien fabricamos varias nanotexturas diferentes que aumentaron significativamente la repelencia al agua, ciertas formas se comportan de manera diferente a otras, ", dijo el físico y coautor Atikur Rahman de Brookhaven. La repelencia al agua mejorada fue consistente con estudios anteriores, incluido uno anterior de Checco y colaboradores que mostró que las burbujas de aire atrapadas en las superficies texturizadas obligan al agua a formar gotas. Sin embargo, En el estudio actual, El equipo demostró además que las nanoestructuras en forma de cono son significativamente mejores que los pilares cilíndricos para obligar a las gotas de agua a rodar por la superficie. manteniendo así las superficies secas.

"En el caso de los pilares cilíndricos, a medida que la línea de contacto de la gota retrocede en la superficie texturizada, puede quedar clavado a la nanotextura, dejando una capa de líquido microscópico en la parte superior plana de los pilares en lugar de un sustrato perfectamente seco, ", Dijo Checco." Las estructuras en forma de cono tienen estructuras más pequeñas, tapas puntiagudas, probablemente previniendo este efecto ".

El otro hallazgo importante fue que la capacidad de repeler el agua de la nanotexturización en forma de cono se mantuvo incluso cuando se rociaron gotas de agua sobre la superficie con una jeringa presurizadora. Tal presión podría potencialmente forzar al agua a entrar en las marcas nanométricas entre los pilares cónicos o cilíndricos, desplazando las burbujas de aire y destruyendo el efecto repelente al agua.

Los científicos monitorearon las gotas que salpicaban usando una cámara de alta velocidad capaz de capturar 30, 000 cuadros por segundo. Para la superficie de textura cónica, "Las gotas rociadas salpican y expulsan gotas satélites que se extienden radialmente hacia afuera, mientras que la parte más central de la gota original se aplana, luego retrocede, y rebota en la superficie, ", Dijo Checco." No observamos ninguna caída inmovilizada en el punto de impacto después de que la caída ha rebotado, indicando que la superficie permanece repelente al agua durante el impacto a velocidades de hasta 10 metros por segundo, que es más rápido que la velocidad de una gota de lluvia ".

Próximos pasos

El equipo está trabajando para extender esta técnica a otros materiales, incluyendo vidrio y plásticos, y en la fabricación de superficies que también repelen el aceite modificando aún más la forma de la característica.

También están estudiando la resistencia de diferentes nanotexturas a la penetración del agua utilizando intensos haces de rayos X disponibles en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS). "El objetivo es comprender cuantitativamente cómo la infiltración de líquido forzada depende del tamaño y la geometría de la textura. Esto ayudará al diseño de recubrimientos superhidrófobos aún más resistentes, "Dijo Checco.

La técnica de nanopatrones utilizada en este estudio también permite el diseño de una amplia variedad de materiales con diferentes texturas y, por lo tanto, diferentes propiedades repelentes al agua en diferentes partes de una sola superficie. Este enfoque podría usarse, por ejemplo, para fabricar canales a nanoescala con propiedades autolimpiantes y de baja fricción de fluidos para aplicaciones de diagnóstico como la detección de la presencia de ADN, proteínas, o biotoxinas.

"Este resultado es un excelente ejemplo del tipo de proyecto que se puede realizar en colaboración con los Centros de Investigación Científica a Nanoescala del DOE, "dijo Black." Anteriormente, hemos estado buscando estructuras similares con un propósito científico completamente diferente. Estamos felices de trabajar con Antonio a través del programa CFN User para ayudarlo a lograr sus objetivos de investigación ".