Ejemplos de insectos repelentes al agua equipados con texturas superficiales a nanoescala de alta fracción sólida. (A) Imágenes de microscopía electrónica óptica y de barrido (SEM) de ojos de mosquito, una cola de resorte, y alas de cigarra que muestran la presencia de texturas superficiales a nanoescala de alta fracción sólida (Crédito de la foto:L.W., Universidad del Estado de Pensilvania). (B) Un gráfico que resume la fracción sólida Φs y el tamaño de textura correspondiente D para varios insectos repelentes de agua. Tenga en cuenta que la fracción sólida de diferentes superficies de insectos está en el rango de ~ 0,25 a ~ 0,64, que es sustancialmente más alta que la de las superficies de la planta (por ejemplo, Φs ~ 0.01). Las barras de error indican las DE para cinco mediciones independientes. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb2307
Muchas superficies naturales pueden arrojar gotas de agua rápidamente debido a su funcionalidad repelente al agua. En 1945, Los científicos Cassie y Baxter relacionaron la función repelente al agua de las superficies naturales con sus texturas superficiales. El uso de texturas de baja fracción sólida (denotado Φ s ) es, por tanto, un principio clave para diseñar superficies hidrófugas. En este trabajo, Lin Wang y un equipo de científicos en ciencia de materiales, ingeniería biomédica e ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Pensilvania, U.S. redujo el tiempo de contacto de las gotas que rebotan en superficies de alta fracción sólida (es decir, Φs ~ 0,25 a 0,65) al reducir el tamaño de la textura de la superficie a nanoescala. Mostraron cómo las superficies de alta fracción sólida con un tamaño de textura por debajo de 100 nanómetros podrían reducir el tiempo de contacto de las gotas que rebotan en aproximadamente 2.6 milisegundos (ms) en comparación con un tamaño de textura por encima de 300 nm. La reducción del tiempo de contacto dependiente de la textura y el tamaño observada en superficies sólidas es el primer resultado en estudio en relación con las teorías existentes sobre la humectabilidad de la superficie. Wang y col. atribuyó la reducción en el contacto de las gotas en las superficies a nanoescala a la tensión dominante de la línea de contacto de tres fases. Basado en experimentos de estabilidad de presión, El equipo mostró además cómo las fracciones sólidas de la superficie fueron bioinspiradas por insectos que pueden resistir el impacto de las gotas de lluvia. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .
Las superficies a nanoescala tienen diversos roles en los organismos biológicos con importancia para la supervivencia de los insectos, los ejemplos incluyen propiedades anti-reflejo de ojos de polilla, propiedades antiempañantes de los mosquitos, técnicas de autolimpieza de la cigarra y antiincrustante de libélula. El rápido desprendimiento de las gotas de lluvia sobre los insectos voladores también es fundamental para su supervivencia. Por ejemplo, la duración del impacto de las gotas de lluvia sobre los mosquitos fue de aproximadamente 0,5 a 10 ms; un marco de tiempo de mecanismos combinados de liberación de gotas activos y pasivos. Las plantas y las alas de las mariposas también pueden mantener patrones de microescala para romper el impacto de las gotas en pedazos más pequeños para reducir el tiempo de contacto de las gotas. Sin embargo, Los científicos de materiales aún deben comprender cómo la alta fracción sólida y las texturas a nanoescala de las superficies de insectos repelentes al agua pueden causar un rápido desprendimiento de las gotas de lluvia al impactar. Para explorar los efectos del tamaño de la textura y las interacciones líquido-sólido, Wang y col. diseñó una serie de bioinspirados, superficies con textura de insectos, los recubrió con una monocapa de silano para inducir la hidrofobicidad de la superficie (naturaleza que odia el agua) y realizó una serie de experimentos.
Comparación de los tiempos de contacto de las gotas de agua que rebotan en superficies con diferente tamaño de textura en fracción sólida 
Durante los experimentos, el equipo mantuvo el estado de Cassie-Baxter (humectación heterogénea de la superficie) con las gotas de líquido de prueba y comparó el tiempo de contacto de las gotas de agua que rebotan en superficies texturizadas. Las superficies con un tamaño de textura inferior a 300 nm mostraron una disminución del tiempo de contacto para las gotas que rebotan. La reducción dependiente del tamaño de la textura del contacto de las gotas en superficies sólidas fue una de las primeras en el estudio en comparación con las teorías existentes sobre humectación de superficies.
En teoria, el tiempo de contacto se puede predecir en relación con la densidad y la tensión superficial del agua. Cuando una gota de líquido impacta una superficie texturizada, se extendió a un diámetro máximo y se retrajo de la superficie como un "resorte líquido". En superficies texturizadas de baja fracción sólida, la tensión interfacial líquido-aire de la gota dominaba la constante elástica del resorte líquido. Mientras tanto, cualquier contribución de las interacciones líquido-sólido podría ignorarse. Sin embargo, los científicos no podían ignorar las interacciones líquido-sólido en superficies texturizadas de alta fracción sólida donde Φ s igualó 0,44, debido a la energía adicional resultante de la formación de líneas de contacto trifásicas debajo de las gotas para influir en sus energías de rebote. Para esto, Wang y col. considerada la tensión de la línea de contacto trifásica (τ), introducido por primera vez por Gibbs en la década de 1870, donde las medidas experimentales de τ dependían del sistema específico bajo investigación.
Comparación del tiempo de contacto de las gotas de agua que rebotan en superficies texturizadas. (A) Imágenes de lapso de tiempo de gotas de agua que rebotan (diámetro d0 ~ 2,3 mm, Número de Weber We ~ 31.6) en superficies con fracción sólida Φs =0.44. La gota se desprendió más rápido de texturas de ~ 100 nm que la de texturas de ~ 300 nm. D denota el tamaño del límite de textura de cada pilar reentrante, y tc denota tiempo de contacto. (B) Experimentos de impacto de gota idénticos en superficies con fracción sólida Φs =0.25. Gotas desprendidas simultáneamente de ambas superficies. Recuadros que muestran las imágenes SEM de texturas reentrantes a nanoescala fabricadas. Barras de escala en todas las imágenes SEM, 200 nm; barra de escala en la imagen óptica, 1 mm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb2307
Cinemática de gotas que rebotan en superficies texturizadas y estabilidad de presión de las superficies
Para comprender mejor la reducción en el tiempo de contacto de las gotas que impactan en superficies a nanoescala, Wang y col. investigó la cinemática de las gotas que rebotan basándose en los procesos de esparcimiento y retracción. Si bien las velocidades de propagación de las gotas fueron similares en diferentes superficies, durante la fase de retracción, las gotas tardaron más en retraerse completamente de las superficies con fracciones sólidas más altas. El trabajo mostró cómo el aumento de la fracción sólida, por lo tanto, aumentaba el tiempo de retracción. Por ejemplo, una gota en una superficie de silicio negro superhidrófobo podría retraerse a una velocidad constante para que las gotas retrocedan al ritmo más rápido posible. Inesperadamente, por lo tanto, Wang y col. observó un comportamiento de rebote superhidrófobo en texturas de superficie de 100 nm con una fracción sólida de 0,44
Estabilidad a la presión de las superficies texturizadas reentrantes frente a las gotas de lluvia que impactan. (A) Un mapa de fase que muestra la estabilidad de la presión de las superficies texturizadas reentrantes frente a las gotas de lluvia que impactan en función del tamaño de la textura y la fracción sólida. Para repeler las gotas de lluvia impactantes, requiere una presión capilar PC suficiente en superficies texturizadas para resistir la presión del martillo de la gota de lluvia PH. P * se define como la relación entre PC y PH, es decir., P * =PC / PH. Tenga en cuenta que las superficies texturizadas son estables a la presión cuando el tamaño de la textura D es pequeño y la fracción sólida Φs es alta. Se muestra que todos los parámetros geométricos de las texturas superficiales de los insectos repelentes de agua caen dentro o cerca del régimen estable a la presión. (B) Resultados experimentales que muestran gotas que impactan en superficies texturizadas reentrantes con diferentes parámetros geométricos. Gotas de agua con velocidad terminal ~ 4.0 m / s impactaron los pilares reentrantes, resultando en una presión de golpe de ariete PH ~ 1.2 MPa y We ~ 505.5. La superficie con un tamaño de textura de 200 nm y una fracción sólida de 0.44 pudo mantener la gota en el estado Cassie-Baxter (símbolo de estrella sólida), mientras que las gotas en otras superficies estaban en estado parcial de Wenzel (símbolos de estrella vacíos). Barra de escala, 2 mm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb2307
Para entender el resultado, Luego, los científicos desarrollaron un método para cuantificar la histéresis del ángulo de contacto midiendo sistemáticamente el ángulo de contacto de avance y retroceso en superficies diseñadas. Las superficies con una fracción sólida más alta habían retrasado la retracción de las gotas, desviándose notablemente del comportamiento de rebote superhidrófobo pretendido. Por lo tanto, fue interesante comprender por qué las superficies de insectos repelentes al agua no adoptaron texturas con una fracción sólida más baja para eliminar el agua de manera más efectiva. Para esto, Wang y col. investigó la estabilidad a la presión de las superficies texturizadas frente a las gotas que impactan cuando las gotas de agua que impactan sobre una superficie sólida se someten a dos modos de presiones de impacto. El primer modo fue la presión del golpe de ariete en la superficie de contacto líquido-sólido y el segundo modo fue la presión dinámica en la etapa de esparcimiento. Por lo tanto, el equipo demostró que una alta fracción sólida es un requisito importante para que los insectos resistan la presión del impacto de las gotas de lluvia para eliminarlas por completo.
Ensayo de estabilidad de la presión sobre una superficie micro-texturizada reentrante con fracción sólida
De este modo, Lin Wang y sus colegas mostraron cómo las texturas a nanoescala en superficies sólidas altas redujeron el tiempo de contacto de las gotas que rebotan por primera vez. Los hallazgos revelaron una estrategia sin precedentes para reducir el tiempo de contacto de las gotas que rebotan en superficies sólidas. El equipo logró un comportamiento de rebote superhidrofóbico en superficies de alta fracción sólida (Φ s =0,44) con un tamaño de textura a nanoescala de aproximadamente 100 nm. Los hallazgos arrojan luz sobre cómo los insectos escapan del impacto de alta velocidad de las gotas de lluvia. El estudio proporciona evidencia experimental de la necesidad de texturas de alta función sólida para contrarrestar la presión del impacto de las gotas de lluvia. Técnicamente, Un material compacto con textura a nanoescala que puede repeler el impacto a alta velocidad de las gotas de líquido con un tiempo de contacto reducido tendrá una variedad de aplicaciones para facilitar el equipo de protección personal resistente a las incrustaciones. para robots voladores del tamaño de un insecto y en drones miniaturizados.
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