Las alas de las mariposas se caracterizan por tener escamas en forma de guijarros (arriba), que evitan que el agua se acumule, y microsurcos (abajo), que repelen el agua y reducen la adherencia superficial. Estas características ayudan a mantener la superficie libre de escombros y contaminantes. Crédito:Imagen de microscopio electrónico de barrido (arriba) y renderizado del perfilador óptico (abajo), cortesía de Bharat Bhushan y Greg Bixler, Universidad del Estado de Ohio
Con 3.5 mil millones de años de investigación y desarrollo en su haber, La madre naturaleza podría considerarse la ingeniera biológica con más experiencia del mundo. Seguro, sus métodos pueden parecer fortuitos a veces, pero su historial de desarrollo de organismos que están exquisitamente adaptados a las tareas que se les requieren es asombroso.
Una tarea a la que se ha dedicado especialmente es a encontrar formas de mantener sus creaciones limpias de escombros y contaminantes. Por lo tanto, no es sorprendente que los ingenieros de hoy busquen inspiración en la naturaleza cuando se trata de lidiar con la "bioincrustación, "o la acumulación no deseada de material biológico, que afecta a una amplia gama de industrias.
Un estudio reciente realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio ha descubierto que las hojas de arroz y las alas de mariposa utilizan algunas características de superficie únicas que promueven la autolimpieza. Los investigadores creen que la incorporación de algunas de estas características en productos artificiales podría ser clave para abordar los problemas asociados con la bioincrustación.
"La naturaleza viva está llena de maravillas de la ingeniería, de la escala micro a la macro, que han inspirado a la humanidad durante siglos, "dice Bharat Bhushan, autor principal del estudio y director del Laboratorio Nanoprobe de Bio y Nanotecnología y Biomimética de la Universidad Estatal de Ohio.
Considerar, por ejemplo, que mientras un barco se empantana de percebes al cruzar el océano, un tiburón nadando en el mismo océano permanece limpio como un silbido. Una razón de esto es que la piel del tiburón está compuesta por un tipo especial de escamas cubiertas por costillas que reducen la fricción cuando el tiburón viaja por el agua. La fricción reducida significa que el agua fluye más rápidamente a través de la superficie, dificultando el agarre de los autostopistas microscópicos. Este fenómeno se llama efecto piel de tiburón. La hoja de loto por otra parte, mantiene su limpieza chirriante con una estructura de superficie cerosa que repele el agua, una propiedad llamada superhidrofobicidad. Combinado con baja adherencia, esto se conoce como efecto loto.
El estudio de septiembre de 2012, publicado en la revista Materia blanda por Bhushan y el estudiante graduado de ingeniería Greg Bixler, muestra que las hojas de arroz y las alas de mariposa combinan el arrastre bajo de la piel de tiburón con la superhidrofobicidad de la hoja de loto, colocando estas superficies en la parte superior de la lista de autolimpiadores hechos por la naturaleza.
Las hojas de arroz se caracterizan por protuberancias cerosas (arriba), que repelen el agua y evitan que los contaminantes se adhieran a la superficie, así como ranuras (abajo) que evitan que el agua se acumule en la superficie. La incorporación de estas características en productos artificiales podría ayudar a los ingenieros a abordar la acumulación biológica no deseada en una amplia variedad de industrias. Crédito:Imagen de microscopio electrónico de barrido (arriba) y representación del perfilador óptico (abajo) cortesía de Bharat Bhushan y Greg Bixler, Universidad del Estado de Ohio
La idea de observar las hojas de arroz y las alas de las mariposas se les ocurrió a los investigadores al observar estas estructuras en sus hábitats naturales.
"Notamos que las gotas de agua en las hojas de arroz y las alas de las mariposas se caen sin esfuerzo, y que cada uno permanezca limpio en su respectivo entorno, "dice Bhushan.
Esta observación lleva a los investigadores a sospechar que, como piel de tiburón y hojas de loto, Las hojas de arroz y las alas de mariposa tienen propiedades especiales que las hacen particularmente resistentes a las incrustaciones.
Antes de que pudieran empezar tuvieron que abordar el hecho de que ambas estructuras son increíblemente delicadas, lo que dificulta trabajar con ellos en un entorno experimental. Por esta razón, comenzaron creando réplicas de ambas superficies. Se vertió silicona sobre hojas y alas reales, creando un molde "negativo" que luego utilizaron para crear una réplica de uretano más adecuada para las rigurosas pruebas que los investigadores tenían en mente. Algunas réplicas también recibieron un recubrimiento de sílice para replicar las propiedades superhidrofóbicas de las estructuras naturales.
Luego sometieron las réplicas a experimentos diseñados para determinar qué tan eficientemente se movían por el aire (arrastre), qué tan bien se deshicieron de los contaminantes (autolimpieza), cuán firmemente los contaminantes se adhieren a la superficie (adherencia), y qué tan bien retuvieron o repelieron el agua (humectabilidad). Como piel de tiburón las hojas de arroz y las alas de las mariposas exhibieron propiedades de autolimpieza y de bajo arrastre. Pero ambas muestras eran especiales de una manera importante:exhibían propiedades similares a las de un loto, incluida la superhidrofobicidad y la baja adhesión. Este efecto se magnificó en muestras recubiertas, que superó a las muestras sin recubrimiento en todas las pruebas.
Bixler atribuye estos hallazgos a la estructura única de cada superficie.
"Tanto las hojas de arroz como las alas de mariposa contienen características de tamaño micro y nano que repelen y dirigen el agua en una dirección, "dice Bixler." Esto se logra con una combinación de surcos y protuberancias que son invisibles a simple vista ".
Al mostrar que las hojas de arroz y las alas de mariposa combinan las propiedades antiincrustantes de algunos de los mejores autolimpiadores de la naturaleza, Bhushan y Bixler han identificado nuevas superficies que pueden utilizarse como inspiración de ingeniería para una amplia gama de industrias plagadas de bioincrustaciones. Prevenir la acumulación de materia biológica en el casco de un barco, por ejemplo, podría aumentar la eficiencia del movimiento del barco, conduciendo en última instancia a un uso más eficiente del combustible. También, Reducir la acumulación de bacterias y otros microbios en los tubos médicos podría reducir en gran medida el riesgo de infección de un paciente.
"Estamos investigando métodos para fabricar películas inspiradas en hojas de arroz y alas de mariposa para aplicaciones que requieren baja resistencia, autolimpiante y antiincrustante, ", dice Bhushan. Los investigadores esperan que el uso de este tipo de películas en diversas industrias, incluida la asistencia sanitaria, envío y fabricación avanzada, reducirá costos y mejorará la calidad.
