Un nuevo sistema desarrollado por ingenieros del MIT podría permitir controlar la forma en que el agua se mueve sobre una superficie, usando solo luz. Este avance puede abrir la puerta a tecnologías como los dispositivos de diagnóstico de microfluidos cuyos canales y válvulas podrían reprogramarse sobre la marcha, o sistemas de campo que podrían separar el agua del petróleo en una plataforma de perforación, dicen los investigadores.

El sistema, reportado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , fue desarrollado por el profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi, Profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería Gareth McKinley, ex postdoctorado Gibum Kwon, estudiante de posgrado Divya Panchanathan, el ex científico investigador Seyed Mahmoudi, y Mohammed Gondal en la Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales en Arabia Saudita.

El objetivo inicial del proyecto era encontrar formas de separar el aceite del agua, por ejemplo, para tratar la mezcla espumosa de agua salada y petróleo crudo producida en ciertos pozos de petróleo. Cuanto más a fondo se entremezclan estas mezclas, cuanto más finas son las gotas, más difícil es separarlas. A veces se utilizan métodos electrostáticos, pero estos consumen mucha energía y no funcionan cuando el agua es muy salina, como suele ser el caso. En lugar de, el equipo exploró el uso de superficies "fotosensibles", cuyas respuestas al agua pueden alterarse con la exposición a la luz.

Al crear superficies cuyas interacciones con el agua, una propiedad conocida como humectabilidad, podrían ser activadas por la luz, Los investigadores descubrieron que podían separar directamente el aceite del agua haciendo que las gotas individuales de agua se fusionaran y se extendieran por la superficie. Cuanto más se funden las gotas de agua, cuanto más se separan del aceite.

Los materiales fotosensibles se han estudiado y utilizado ampliamente; un ejemplo es el ingrediente activo en la mayoría de los protectores solares, dióxido de titanio, también conocido como titania. Pero la mayoría de estos materiales, incluyendo titania, responden principalmente a la luz ultravioleta y casi nada a la luz visible. Sin embargo, solo alrededor del 5 por ciento de la luz solar está en el rango ultravioleta. Entonces, los investigadores descubrieron una forma de tratar la superficie de titania para que responda a la luz visible.

Lo hicieron utilizando primero una técnica de deposición capa por capa para construir una película de partículas de titania unidas a polímero sobre una capa de vidrio. Luego recubrieron el material por inmersión con un tinte orgánico simple. La superficie resultante resultó ser muy sensible a la luz visible, produciendo un cambio en la humectabilidad cuando se expone a la luz solar que es mucho mayor que la de la propia titania. Cuando se activa por la luz del sol, el material demostró ser muy eficaz para "desemulsionar" la mezcla de aceite y agua, consiguiendo que el agua y el aceite se separen entre sí.

"Nos inspiramos en el trabajo en energía fotovoltaica, donde se utilizó la sensibilización con colorantes para mejorar la eficiencia de absorción de la radiación solar, ", dice Varansi." El acoplamiento del tinte a las partículas de titania permite la generación de portadores de carga al iluminarse con luz. Esto crea una diferencia de potencial eléctrico que se establecerá entre la superficie y el líquido al iluminarse, y conduce a un cambio en las propiedades humectantes ".

"El agua salada se esparce sobre nuestra superficie bajo iluminación, pero el aceite no "dice Kwon, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Kansas. "Descubrimos que prácticamente toda el agua de mar se esparcirá por la superficie y se separará del petróleo crudo, bajo luz visible ".

El mismo efecto también podría usarse para impulsar gotas de agua a través de una superficie, como demostró el equipo en una serie de experimentos. Al cambiar selectivamente la humectabilidad del material usando un haz de luz en movimiento, una gota puede dirigirse hacia el área más humectable, impulsándolo en cualquier dirección deseada con gran precisión. Dichos sistemas podrían diseñarse para fabricar dispositivos de microfluidos sin límites o estructuras incorporados. El movimiento del líquido, por ejemplo, una muestra de sangre en un laboratorio de diagnóstico en un chip, estaría completamente controlado por el patrón de iluminación que se proyecta sobre él.

"Al estudiar sistemáticamente la relación entre los niveles de energía del tinte y la humectabilidad del líquido en contacto, Hemos creado un marco para el diseño de estos sistemas de manipulación de líquidos guiados por luz, ", Dice Varanasi." Al elegir el tipo de tinte adecuado, podemos crear un cambio significativo en la dinámica de las gotas. Es un movimiento inducido por la luz, un movimiento de gotas sin contacto ".

La humectabilidad conmutable de estas superficies tiene otra ventaja:pueden ser en gran parte autolimpiables. Cuando la superficie cambia de atrayente de agua (hidrófila) a repelente de agua (hidrófoba), cualquier agua en la superficie se expulsa, llevando consigo cualquier contaminante que pueda haberse acumulado.

Dado que el efecto fotosensible se basa en el recubrimiento de tinte, se puede ajustar en gran medida seleccionando entre los miles de tintes orgánicos disponibles. Todos los materiales involucrados en el proceso están ampliamente disponibles, barato, materiales básicos, los investigadores dicen, y los procesos para hacerlos son comunes.