En el desierto de Namib de África, el viento matutino lleno de niebla lleva el agua potable de un escarabajo llamado Stenocara.

Pequeñas gotas se acumulan en la espalda irregular del escarabajo. Las áreas entre las protuberancias están cubiertas de una sustancia cerosa que las hace repelentes al agua. o hidrofóbico (temeroso del agua). El agua se acumula en los amantes del agua, o hidrofílico, golpes formando gotas que eventualmente crecen demasiado para quedarse quietas, luego enrolle la superficie cerosa.

El escarabajo sacia su sed inclinando su parte trasera hacia arriba y bebiendo de las gotas acumuladas que caen en su boca. Increíblemente, el escarabajo recolecta suficiente agua a través de este método para beber el 12 por ciento de su peso corporal cada día.

Hace más de una década, La noticia del eficiente sistema de recolección de agua de esta criatura inspiró a los ingenieros a intentar reproducir estas superficies en el laboratorio.

Avances a pequeña escala en física de fluidos, la ingeniería de materiales y la nanociencia desde entonces los han acercado al éxito.

Estos pequeños desarrollos, sin embargo, tienen la perspectiva de conducir a cambios a gran escala. Comprender cómo los líquidos interactúan con diferentes materiales puede conducir a una mayor eficiencia, procesos y productos económicos, e incluso podría dar lugar a alas de avión impermeables al hielo y ventanas autolimpiables.

Golpes de escarabajos en el laboratorio

Usando varios métodos para crear superficies con patrones intrincados, los ingenieros pueden fabricar materiales que se asemejen mucho a la espalda del escarabajo.

"Hace diez años nadie tenía la capacidad de modelar superficies como esta a nanoescala, "dice Sumanta Acharya, un director de programa de la National Science Foundation (NSF). "Observamos superficies naturalmente hidrofóbicas como la hoja de loto durante décadas. Pero incluso si lo entendiéramos, ¿Qué podemos hacer al respecto? "

Lo que han hecho los investigadores es crear superficies tan sobresalientes en repeler o atraer agua que han añadido un "super" al principio de su descripción:superhidrofóbico o superhidrofílico.

Muchas superficies superhidrofóbicas creadas por recubrimientos químicos ya están en el mercado (¡zapatos que repelen el agua, camisas, iPhones!).

Sin embargo, muchos investigadores se centran en materiales con elementos físicos que los hacen superhidrofóbicos.

Estos materiales tienen pilares de tamaño micro o nano, polos u otras estructuras que alteran los ángulos en los que las gotas de agua entran en contacto con su superficie. Estos ángulos de contacto determinan si una gota de agua se eleva como una pequeña bola de cristal o se relaja un poco y descansa en la superficie como un batido derramado.

Variando el diseño de estas superficies, los investigadores ahora pueden atrapar, Dirija y rechace pequeñas cantidades de agua para una variedad de nuevos propósitos.

"Ahora podemos hacer cosas con fluidos que antes solo imaginábamos, "dice el ingeniero mecánico Constantine Megaridis de la Universidad de Illinois en Chicago. Megaridis y su equipo tienen dos becas NSF de la División de Química de la Dirección de Ingeniería, Bioingeniería Sistemas medioambientales y de transporte.

"Los desarrollos nos han permitido crear dispositivos, dispositivos con el potencial de ayudar a la humanidad, que hacen las cosas mucho mejor que nunca antes. " él dice.

Megaridis ha utilizado sus diseños inspirados en escarabajos para poner patrones texturizados en materiales económicos, haciendo circuitos de microfluidos.

Las tiras de plástico con centros superhidrófilos y entornos superhidrófobos que combinan o separan fluidos tienen el potencial de servir como plataformas para pruebas de diagnóstico (ver "El viaje de las gotas de agua").

"Imagina que quieres llevar gotas de sangre o agua o cualquier líquido a un lugar determinado, "Megaridis explica." Al igual que una autopista, el camino es la franja para que el líquido viaje hacia abajo, y termina acumulándose en un tanque de almacenamiento de fluidos en la superficie ". El tanque de almacenamiento podría contener un agente reactivo. El personal médico podría usar las tiras desechables para analizar muestras de agua en el campo para detectar E. coli, por ejemplo.

Dispositivos como estos, creados en laboratorios de ingeniería, ahora están abriéndose camino hacia el mercado.

Agua, agua en el aire

Nanotecnologías NBD, una empresa con sede en Boston financiada por el programa de transferencia de tecnología para pequeñas empresas de NSF, tiene como objetivo aumentar la durabilidad y funcionalidad de los recubrimientos de superficies para uso industrial.

Una de las aplicaciones más impactantes para la investigación superhidrofóbica o hidrofóbica es la eficiencia de condensación mejorada. Cuando el vapor de agua se condensa en líquido, típicamente forma una película. Esa película es una barrera entre el vapor y la superficie, lo que dificulta la formación de otras gotas. Si esa película se puede prevenir eliminando las gotas inmediatamente después de que se condensan, digamos, con una superficie superhidrófoba, la velocidad de condensación aumenta.

Los condensadores están en todas partes. Están en tu refrigerador coche y aire acondicionado. Una condensación más eficiente permitiría que todo este equipo funcione con menos energía. Una mejor eficiencia es especialmente importante en lugares donde el enfriamiento a gran escala es primordial, como plantas de energía.

"NBD fabrica revestimientos más duraderos que abarcan grandes superficies, "dice Sara Beaini, científica senior de NBD Nanotechnologies." La durabilidad es un factor importante, porque cuando trabajas en el nivel micro, dependes de tener una estructura de superficie impecable. Cualquier abrasión mecánica o química que distorsione las estructuras de la superficie puede reducir significativamente o eliminar rápidamente las propiedades ventajosas de la superficie ".

NBD, que habrás adivinado significa Namib Beetle Design, se ha asociado con Megaridis y otros para mejorar la durabilidad, el principal desafío en la comercialización de la investigación superhidrofóbica. Los condensadores de centrales eléctricas con revestimientos hidrófobos o superhidrófobos duraderos podrían ser más eficientes. Y con la escasez de agua y energía que se avecina, partnerships such as theirs that help to transfer this breakthrough from the lab to the outside world are increasingly valuable.

Other groups have applied hydrophobic patterning methods in clever ways.

Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.

With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.

"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.