Durante años, los científicos se han inspirado en la naturaleza para innovar soluciones a problemas complicados, incluso los derrames de petróleo, desastres provocados por el hombre con devastadoras consecuencias ambientales y económicas. Un nuevo estudio de la USC se basa en la estructura de la hoja para fabricar material que pueda separar el aceite y el agua. lo que podría conducir a métodos de limpieza de derrames de hidrocarburos más seguros y eficientes.

Además, el material es capaz de "manipulación de microgotas, "o la transferencia de volúmenes de líquido en miniatura. Los microfluidos basados ​​en gotas es una herramienta que se utiliza en diversas aplicaciones, como cultivos celulares, síntesis química y secuenciación de ADN.

Usando la impresión 3-D, El profesor asociado Yong Chen y su equipo de investigación de la Escuela de Ingeniería Industrial y de Sistemas Daniel J. Epstein de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC han imitado con éxito un fenómeno biológico en las hojas de las plantas llamado "efecto Salvinia". Su estudio se centra en un helecho flotante nativo de América del Sur llamado Salvinia molesta. Las hojas únicas son superhidrofóbicas, que significa "temeroso del agua" y retienen una bolsa de aire circundante cuando se sumergen en agua debido a la presencia de pelos resistentes al agua.

"Creo que la razón por la que la superficie de la planta es superhidrófoba es porque vive en el agua y necesita aire para sobrevivir, "Yang Yang, investigador postdoctoral en el equipo de Chen, dijo. "Si no fuera por la evolución a largo plazo de esta planta, la planta podría sumergirse en agua y morir ".

Estructura repelente al agua

A nivel microscópico, los pelos de las hojas se alinean en una estructura que se asemeja a un batidor de huevos, o batidor de cocina. Chen explica que la superficie de la hoja de Salvinia está compuesta por esta estructura llamada "batidora de huevos" que es superhidrófoba.

Usando un método llamado impresión 3D de acumulación de superficie sumergida (impresión ISA-3D), El equipo de investigación creó con éxito la microestructura del batidor de huevos en muestras hechas de plástico y nanotubos de carbono. Chen explica que el método permitió al equipo demostrar la fabricación de un material con propiedades superhidrofóbicas y olefílicas (que absorben aceite) que, cuando se combina, Generar fuerzas capilares capaces de una separación de agua y aceite altamente eficiente.

"Intentamos crear una textura de superficie funcional que pudiera separar el aceite del agua, ", Dijo Chen." Básicamente, modificamos la superficie de los materiales utilizando un enfoque de impresión 3-D que nos ayudó a lograr algunas propiedades de superficie interesantes ".

El equipo ha impreso un prototipo en 3D, citando una creciente demanda de materiales que puedan separar mezclas de aceite y agua de manera eficiente en grandes masas de agua. Finalmente, esperan que la tecnología se pueda aplicar para fabricar materiales a gran escala para acomodar derrames masivos de petróleo en el océano. Los métodos actuales requieren una enorme energía en forma de campo eléctrico o presión aplicada mecánicamente.

Aplicación de microfluidos

El "efecto Salvinia" también tiene potencial para la tecnología de manipulación de líquidos que ejecuta la "manipulación de microgotas", un avance en el que la adhesión de líquido a un brazo robótico puede ajustarse en consecuencia y dar como resultado una transferencia sin pérdidas para cantidades muy pequeñas de líquido. La técnica se puede aplicar de innumerables formas, algunos de los cuales incluyen microrreactores basados ​​en gotas (dispositivos utilizados en síntesis química), síntesis de nanopartículas, Ingeniería de tejidos, descubrimiento de fármacos y seguimiento de la administración de fármacos.

Xiangjia Li, un estudiante de doctorado en el equipo de Chen y co-primer autor del estudio, dice que un ejemplo de manipulación de microgotas de alto rendimiento podría conducir a análisis de sangre más eficientes para los pacientes. Una pinza robótica podría moverse a diferentes estaciones y dispensar microgotas de sangre que luego se mezclan uniformemente con diferentes productos químicos para varias pruebas. Además, las pruebas podrían diseñarse para controlar la proporción de sustancia química a gota y dar como resultado una conservación significativa de los materiales de origen y los reactivos químicos.

"Puedes tener un brazo robótico con una pinza hecha para imitar el efecto Salvinia, "Dijo Li." No importa de qué manera muevas el brazo, la fuerza de agarre es tan grande que una gota permanecerá adherida ".

Dirigido por Chen, el equipo de investigación también incluyó a Yang, Li, Profesor Qifa Zhou del Departamento de Ingeniería Biomédica, y los estudiantes de posgrado Xuan Zheng y Zeyu Chen. Su estudio titulado "Estructura superhidrofóbica biomimética impresa en 3D para la manipulación de microgotas y la separación de aceite / agua" se ha publicado en el vol. 30, Número de marzo de 2018 de Materiales avanzados .