La profesora asociada de Georgia Tech, Elisa Riedo, posa con una botella de agua de vidrio y una botella de agua de plástico. Si bien los materiales de los recipientes no afectan significativamente la velocidad a la que se vierte el agua de las botellas de este tamaño, Un nuevo estudio muestra que las propiedades de los contenedores a nanoescala afectan drásticamente la viscosidad del agua. Crédito:Rob Felt
El agua se vierte en una taza aproximadamente a la misma velocidad, independientemente de si la botella de agua está hecha de vidrio o plástico.
Pero a escalas de tamaño nanométrico para agua y potencialmente otros fluidos, si el recipiente está hecho de vidrio o plástico, sí que marca una diferencia significativa. Un nuevo estudio muestra que en los canales nanoscópicos, la viscosidad efectiva del agua en los canales de vidrio puede ser dos veces mayor que la del agua en los canales de plástico. Los canales de vidrio nanoscópicos pueden hacer que el agua fluya más como la salsa de tomate que el H2O ordinario.
El efecto de las propiedades del recipiente sobre los fluidos que contienen ofrece otro ejemplo de fenómenos sorprendentes a nanoescala. Y también aporta un nuevo factor que los diseñadores de pequeños sistemas mecánicos deben tener en cuenta.
"A nanoescala, la viscosidad ya no es constante, por lo que estos resultados ayudan a redefinir nuestra comprensión del flujo de fluidos a esta escala, "dijo Elisa Riedo, profesor asociado en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Cualquiera que realice un experimento, desarrollar una tecnología o intentar comprender un proceso biológico que involucre agua u otro líquido a esta escala ahora tendrá que tomar en cuenta las propiedades de las superficies ".
Esos efectos podrían ser importantes para los diseñadores de dispositivos como impresoras 3D de alta resolución que utilizan boquillas a nanoescala, sistemas nanofluídicos e incluso determinados dispositivos biomédicos. Teniendo en cuenta que el agua nanoconfinada es omnipresente en los cuerpos de los animales, en rocas, y en nanotecnología, este nuevo entendimiento podría tener un impacto amplio.
La investigación sobre las propiedades de los líquidos confinados por diferentes materiales fue patrocinada por la Oficina de Ciencias Básicas del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias. Los resultados estaban programados para publicarse el 19 de septiembre en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
Esta ilustración muestra cómo la diferente viscosidad efectiva del agua afecta la fuerza requerida para deslizar dos superficies separadas por una fina capa de agua cuando están confinadas por un material hidrófilo o un material hidrófobo. Crédito:Elisa Riedo
Las diferencias de viscosidad creadas por los materiales de los recipientes se ven directamente afectadas por el grado en que los materiales son hidrófilos, lo que significa que atraen agua, o hidrófobos, lo que significa que la repelen. Los investigadores creen que en materiales hidrofílicos, la atracción por el agua, una propiedad conocida como "humectabilidad", hace que las moléculas de agua sean más difíciles de mover, contribuyendo a un aumento de la viscosidad efectiva del fluido. Por otra parte, el agua no es tan atraída por los materiales hidrofóbicos, facilitando el movimiento de las moléculas y produciendo una menor viscosidad.
En una investigación publicada en la revista, este comportamiento del agua apareció sólo cuando el agua estaba confinada a espacios de unos pocos nanómetros o menos, el equivalente a unas pocas capas de moléculas de agua. La viscosidad continuó aumentando a medida que las superficies se acercaban.
El equipo de investigación estudió el agua confinada por cinco superficies diferentes:mica, óxido de grafeno, silicio, carbono similar al diamante, y grafito. Mica, utilizado en la industria de la perforación, era el más hidrófilo de los materiales, mientras que el grafito fue el más hidrofóbico.
"Vimos una clara relación uno a uno entre el grado en el que el material de confinamiento era hidrófilo y la viscosidad que medimos, "Dijo Riedo.
Experimentalmente, los investigadores comenzaron preparando superficies atómicamente lisas de los materiales, luego colocando agua altamente purificada sobre ellos. Próximo, una punta de AFM hecha de silicio se movió a través de las superficies a diferentes alturas hasta que hizo contacto. Luego se levantó la punta, de unos 40 nanómetros de diámetro, y se continuaron las mediciones.
A medida que aumentaba la viscosidad del agua, la fuerza necesaria para mover la punta del AFM también aumentó, haciendo que se tuerza ligeramente en la viga en voladizo utilizada para subir y bajar la punta. Los cambios en este ángulo de torsión se midieron mediante un láser que rebotó en el voladizo reflectante, proporcionar una indicación de los cambios en la fuerza ejercida sobre la punta, la resistencia viscosa ejercida y, por lo tanto, la viscosidad efectiva del agua.
"Cuando la punta del AFM estaba a un nanómetro de la superficie, comenzamos a ver un aumento de la fuerza viscosa que actúa sobre la punta de las superficies hidrofílicas, ", Dijo Riedo." Tuvimos que usar fuerzas más grandes para mover la punta en este punto, y cuanto más nos acercábamos a la superficie, cuanto más dramático se volvía esto ".
Esas diferencias se pueden explicar al comprender cómo el agua se comporta de manera diferente en diferentes superficies.
"A nanoescala, las fuerzas de interacción líquido-superficie se vuelven importantes, particularmente cuando las moléculas líquidas están confinadas en espacios diminutos, ", Explicó Riedo." Cuando las superficies son hidrófilas, el agua se pega a la superficie y no quiere moverse. En superficies hidrofóbicas, el agua se desliza sobre las superficies. Con este estudio, no solo hemos observado esta viscosidad dependiente de la humectación a nanoescala, pero también hemos podido explicar cuantitativamente el origen de los cambios observados y relacionarlos con el deslizamiento de límites. Esta nueva comprensión pudo explicar los resultados poco claros anteriores de la disipación de energía durante los estudios dinámicos de AFM en el agua ".
Si bien los investigadores hasta ahora solo han estudiado el efecto de las propiedades del material en los canales de agua, Riedo espera realizar experimentos similares con otros fluidos, incluidos los aceites. Más allá de los fluidos simples, espera estudiar fluidos complejos compuestos de nanopartículas en suspensión para determinar cómo cambia el fenómeno con el tamaño de las partículas y la química.
"No hay ninguna razón por la que esto no deba ser cierto para otros líquidos, lo que significa que esto podría redefinir la forma en que se entiende la dinámica de fluidos a nanoescala, ", dijo." Todas las tecnologías y procesos naturales que utilizan líquidos confinados a nanoescala se verán afectados ".
