¿Qué tienen en común el líquido para lavar platos y las sartenes antiadherentes? Además del hecho de que uno se usa para limpiar el otro después de cocinar, Ambos artículos domésticos obtienen su utilidad al afectar las propiedades físicas de los fluidos y las superficies con las que esos fluidos entran en contacto.

El líquido para lavar platos quita el aceite de las superficies porque su composición química consiste en un grupo repelente al agua (hidrofóbico) que se une preferentemente al aceite, y un grupo "amante del agua" (hidrófilo) que se une preferentemente al agua. Esto reduce efectivamente la tensión superficial del aceite, permitiendo que se aclare fácilmente.

Por otra parte, Las sartenes antiadherentes suelen estar recubiertas con un material conocido como politetrafluoroetileno, mejor conocido como teflón, que es extremadamente hidrófobo. Prácticamente cualquier cosa se desliza de las superficies recubiertas de teflón porque las fuerzas adhesivas entre el teflón y muchos otros materiales o moléculas son casi insignificantes.

Los tensioactivos como el líquido para lavar platos y los materiales como el teflón tienen otros usos más allá de las tareas domésticas mundanas. De hecho, están involucrados en una amplia gama de procesos industriales, incluida la extracción de petróleo crudo y la prevención de incrustaciones en dispositivos biomédicos. Para satisfacer necesidades industriales tan diversas, Los científicos de A * STAR están constantemente explorando nuevos materiales y técnicas para modificar la forma en que los fluidos interactúan entre sí y con las superficies.

Pistas de la naturaleza

Si bien el ingenio humano ha sido la fuente de muchos métodos sintéticos para controlar la forma en que interactúan el agua y el aceite, la naturaleza es a menudo un mayor inventor, como Nanji Hadia, un científico investigador en el Instituto de Ciencias Químicas e Ingeniería (ICES) de A * STAR, descubierto.

Trabajando en el problema de la extracción de crudo, Hadia buscaba formas más respetuosas con el medio ambiente para recuperar el petróleo residual en los reservorios. "En la mayoría de los depósitos de petróleo, una gran cantidad de petróleo permanece irrecuperable porque está atascado en las gargantas de los poros a escala micrométrica de las rocas del yacimiento, ", dijo Hadia." Las fuerzas capilares son un factor clave que retiene el aceite en estas pequeñas gargantas de poros ".

Para maximizar la cantidad de petróleo crudo que se puede recuperar de cada pozo de petróleo, la industria petrolera ha desarrollado un enfoque conocido como recuperación mejorada de petróleo. "Un tipo de recuperación mejorada de aceite implica el uso de tensioactivos para superar las fuerzas capilares que mantienen el aceite en su lugar y permitir que el aceite y el agua se mezclen en emulsiones que luego pueden fluir más fácilmente a través de los poros, "Dijo Hadia.

Sin embargo, muchos tensioactivos sintéticos existentes incluyen sulfatos y sulfonatos que no siempre son biodegradables y plantean problemas medioambientales. "Debido a las restricciones medioambientales cada vez más estrictas, Es una prioridad para la industria de exploración y producción de petróleo avanzar hacia los tensioactivos ecológicos, "Señaló Hadia.

Por lo tanto, Hadia decidió tomar una hoja del manual de innovación de la naturaleza, colaborando con su colega Christoph Ottenheim para producir moléculas naturales similares a tensioactivos a partir de bacterias, también llamados biosurfactantes. Se han estudiado ampliamente dos tipos de biosurfactantes en el contexto de la recuperación mejorada de petróleo:glicolípidos, que son moléculas de grasa con una cadena de azúcar unida a ellas; y lipopéptidos, moléculas de grasa con una cadena corta de aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas) unidas a ellas.

Quitando la tensión

En su estudio, Hadia y Ottenheim se centraron en un lipopéptido llamado surfactina, producido por la familia de bacterias Bacillus. "Las surfactinas son conocidas por su capacidad para reducir drásticamente la tensión interfacial entre el aceite y el agua, "Dijo Hadia. Pero producir surfactinas en cantidades suficientemente grandes sin incurrir en costos astronómicos sigue siendo un problema difícil de resolver y es una consideración importante para la industria de producción de petróleo.

En la actualidad, La surfactina se obtiene por fermentación. mediante el cual los bacilos reciben una mezcla específica de nutrientes y se mantienen bajo un pH preciso, condiciones de temperatura y aireación que favorecen la síntesis de surfactina. "En nuestro caso, Usamos cepas de Bacillus subtilis 22.2 y las dejamos fermentar un caldo nutritivo durante la noche a 30 ° C, Ottenheim explicó. El producto de fermentación contenía una mezcla de surfactinas, con un rendimiento inferior a 1 g / L de caldo.

Evaluar el efecto de su mezcla de surfactina en dos petróleos crudos de tanques de reserva, los investigadores encontraron que una concentración baja de surfactina de 0.025% fue capaz de reducir la tensión interfacial de ambos aceites de cien a mil veces, facilitando así la formación de emulsiones de aceite en agua. Esto, a su vez, permite que el aceite fluya fácilmente desde la garganta de los poros.

Para imitar mejor las condiciones del mundo real en las que tendría que funcionar la mezcla de surfactina, El equipo de Hadia también llevó a cabo experimentos de inundación al atrapar petróleo en arenisca de Berea, un material de piedra arenisca porosa natural, luego tratando de recuperar el aceite. "Pudimos recuperar entre un 1,5 y un 5% más de petróleo inyectando una solución de surfactina al 0,1% en las muestras de roca [en comparación con cuando no se utilizó surfactina], "Dijo Hadia.

Parte de esta mejora también podría atribuirse al hecho de que la surfactina cambió la humectabilidad de las muestras de roca para hacerlas más húmedas (de la misma manera que funciona el líquido para lavar platos), permitiendo que el aceite se lave con agua. Tomados en conjunto, Las surfactinas representan una solución factible y más amigable con el medio ambiente para mejorar la recuperación de petróleo en la industria del petróleo. Hadia anotó.

Un deporte de contacto

La capacidad de ajustar la humectabilidad de la superficie es igualmente útil fuera del campo de la recuperación de petróleo. Por ejemplo, en microfluídica, que involucra líquidos que pasan a través de canales muy pequeños, la humectabilidad de esos canales influye significativamente en cómo fluyen los líquidos dentro de ellos, o si las células biológicas pueden adherirse a las superficies de los canales con fines de órgano en chip.

En lugar de aplicar un recubrimiento (como teflón o surfactina), otra estrategia para modificar la humectabilidad de la superficie es mediante el uso de láseres. Investigadores dirigidos por Zhongke Wang, un científico investigador en el Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur de A * STAR (SIMTech), han utilizado irradiación láser para controlar con precisión la humectabilidad del policarbonato, un tipo de plástico transparente y biocompatible.

"Hasta aquí, la mayoría de las técnicas existentes solo pueden aumentar o disminuir la humectabilidad del policarbonato, pero no sintonizar la mojabilidad en ambos sentidos, "Wang dijo, agregando que los métodos actuales también carecen de la flexibilidad para crear ángulos de contacto arbitrarios entre superficies de policarbonato y líquidos. Un ángulo de contacto de más de 90 ° significa que una superficie es hidrofóbica, mientras que un ángulo de contacto de menos de 90 ° indica que una superficie es hidrófila. En otras palabras, una superficie hidrófila tiene una mayor humectabilidad que una hidrófoba.

Usando un láser de femtosegundos, llamado así porque emite pulsos ultracortos de luz enfocada, El equipo de Wang pudo hacer superficies de policarbonato hidrofóbicas o hidrofílicas en diferentes grados, dependiendo de parámetros como la intensidad del láser, el número de pulsos de láser aplicados y la velocidad de exploración del láser.

Por ejemplo, una alta velocidad de exploración de 0,5 mm / s con un número de pulso de 60 dio como resultado un ángulo de contacto de más de 150 ° entre el policarbonato y una gota de agua de 0,5 mm, lo que significa que el policarbonato se volvió superhidrofóbico. Por otra parte, una velocidad de exploración más baja de 29 mm / s con menos pulsos dio como resultado un ángulo de contacto de menos de 5 °, indicativo de una superficie superhidrófila.

"Los cambios en los enlaces químicos en la superficie del policarbonato como resultado de las diferentes condiciones de irradiación láser determinan la humectabilidad de la superficie escaneada con láser. Los grupos polares inducidos por la irradiación láser dieron como resultado una superficie hidrófila, mientras que los grupos no polares inducidos por la irradiación láser dieron como resultado una superficie hidrofóbica, Wang explicó.

Buscando sinergias

Habiendo demostrado que la superficie de policarbonato es alterada química y físicamente por el láser de femtosegundos, los investigadores querían probar la estabilidad de las propiedades de la superficie en el contexto de la microfluídica. En microfluidos, La ultrasonicación, la aplicación de ondas sonoras de alta frecuencia, se usa comúnmente para enjuagar los diminutos canales en presencia de agua o productos químicos.

El equipo de Wang descubrió que la rugosidad de las superficies hidrófobas aumentaba mediante ultrasonidos con agua y etanol. A diferencia de, se redujo la rugosidad de las superficies hidrófilas. Los investigadores también notaron que la hidrofobicidad y la hidrofilicidad de las superficies de policarbonato tratadas con láser disminuyeron tras la ecografía con agua y etanol.

"Creemos que hay dos posibilidades para el cambio en el postratamiento de la humectabilidad de la superficie:la ecografía podría haber desalojado los desechos de las superficies tratadas con láser, o la ultrasonicación puede haber dado lugar a cambios adicionales en los enlaces químicos en la superficie del policarbonato, Wang explicó. Añadió que se necesitarán experimentos futuros que utilicen espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para aclarar si los cambios en los enlaces químicos se han producido después de la ecografía.

Los hallazgos del trabajo de Wang pueden tener implicaciones para la investigación de Hadia, ya que los microfluidos son útiles para la visualización del flujo a muy pequeña escala. "En el caso de estudios mejorados de recuperación de petróleo, La microfluídica ayuda a los investigadores a comprender el desplazamiento de un fluido por otro en un chip de microfluidos de vidrio que contiene una red de poros que representa una muestra de roca porosa. "Dijo Hadia. Por lo tanto, mientras que Wang y Hadia pueden estar estudiando diferentes problemas, sus campos de investigación se superponen sutilmente y generan sinergias.

Ambos científicos también ofrecen diferentes enfoques para la modificación de la superficie, ya sea por medios químicos (recubrimiento con surfactina) o por métodos físicos (láseres). Sus descubrimientos allanan el camino para una mayor eficiencia y un menor impacto ambiental de los procesos industriales, ejemplificando cómo la investigación y el desarrollo pueden producir soluciones ingeniosas para algunos de los problemas más desafiantes de la sociedad.