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Efecto loto

Agua en la superficie de una hoja de loto Gotas de agua sobre una hoja de taro con efecto loto (arriba), y superficie de la hoja de taro ampliada (0–1 es un milímetro ) que mues...

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Agua en la superficie de una hoja de loto
Gotas de agua sobre una hoja de taro con efecto loto (arriba), y superficie de la hoja de taro ampliada (0–1 es un milímetro ) que muestra una serie de pequeñas protuberancias (abajo).
Representación gráfica por ordenador de la superficie de una hoja de loto
Una gota de agua sobre la superficie de una flor de loto muestra ángulos de contacto de aproximadamente 147°.

El efecto loto se refiere a las propiedades de autolimpieza que resultan de la ultrahidrofobicidad , como la que presentan las hojas de Nelumbo , la flor de loto. [ 1 ] Las partículas de suciedad son recogidas por las gotas de agua debido a la micro y nanoestructura de la superficie, lo que minimiza la adhesión de la gota a dicha superficie. La ultrahidrofobicidad y las propiedades de autolimpieza también se encuentran en otras plantas, como Tropaeolum (capuchina), Opuntia (nopal), Alchemilla , caña y también en las alas de ciertos insectos. [ 2 ]

El fenómeno de la ultrahidrofobicidad fue estudiado por primera vez por Dettre y Johnson en 1964 [ 3 ] utilizando superficies hidrofóbicas rugosas. Su trabajo desarrolló un modelo teórico basado en experimentos con microesferas de vidrio recubiertas con parafina o telómero de PTFE . La propiedad de autolimpieza de superficies micro- nanoestructuradas ultrahidrofóbicas fue estudiada por Wilhelm Barthlott y Ehler en 1977, [ 4 ] quienes describieron por primera vez dichas propiedades de autolimpieza y ultrahidrofobicidad como el "efecto loto"; Brown desarrolló materiales ultrahidrofóbicos de perfluoroalquilo y perfluoropoliéter en 1986 para el manejo de fluidos químicos y biológicos. [ 5 ] Otras aplicaciones biotecnológicas han surgido desde la década de 1990. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Principio funcional

La alta tensión superficial del agua hace que las gotas adopten una forma casi esférica, ya que una esfera tiene un área superficial mínima, y ​​esta forma, por lo tanto, minimiza la energía superficial sólido-líquido. Al entrar en contacto el líquido con una superficie, las fuerzas de adhesión dan como resultado la humectación de la superficie. Puede ocurrir una humectación completa o incompleta dependiendo de la estructura de la superficie y la tensión del fluido de la gota. [ 12 ] La causa de las propiedades de autolimpieza es la doble estructura hidrófoba repelente al agua de la superficie. [ 13 ] Esto permite que el área de contacto y la fuerza de adhesión entre la superficie y la gota se reduzcan significativamente, lo que resulta en un proceso de autolimpieza. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Esta doble estructura jerárquica está formada por una epidermis característica (su capa más externa llamada cutícula) y las ceras de recubrimiento. La epidermis de la planta de loto posee papilas de 10  a 20  μm de altura y de 10  a 15  μm de ancho, sobre las cuales se superponen las denominadas ceras epicuticulares . Estas ceras superpuestas son hidrofóbicas y forman la segunda capa de la doble estructura. Este sistema se regenera. Esta propiedad bioquímica es responsable de la repelencia al agua de la superficie.

La hidrofobicidad de una superficie se puede medir mediante su ángulo de contacto . Cuanto mayor sea el ángulo de contacto, mayor será la hidrofobicidad de la superficie. Las superficies con un ángulo de contacto < 90° se denominan hidrofílicas y aquellas con un ángulo > 90°, hidrofóbicas. Algunas plantas presentan ángulos de contacto de hasta 160° y se denominan ultrahidrofóbicas, lo que significa que solo entre el 2 % y el 3 % de la superficie de una gota (de tamaño típico) está en contacto. Las plantas con una superficie de doble estructura, como el loto, pueden alcanzar un ángulo de contacto de 170°, en cuyo caso el área de contacto de la gota es de tan solo el 0,6 %. Todo esto da lugar a un efecto de autolimpieza.

Las partículas de suciedad con un área de contacto extremadamente reducida son recogidas por las gotas de agua y, por lo tanto, se limpian fácilmente de la superficie. Si una gota de agua rueda sobre una superficie contaminada, la adhesión entre la partícula de suciedad, independientemente de su composición química, y la gota es mayor que la adhesión entre la partícula y la superficie. Este efecto de limpieza se ha demostrado en materiales comunes como el acero inoxidable cuando se produce una superficie superhidrofóbica. [ 17 ] Dado que este efecto de autolimpieza se basa en la alta tensión superficial del agua, no funciona con disolventes orgánicos. Por lo tanto, la hidrofobicidad de una superficie no ofrece protección contra el grafiti.

Este efecto es de gran importancia para las plantas, ya que las protege contra patógenos como hongos o algas , y también para animales como mariposas , libélulas y otros insectos que no pueden limpiar todas las partes de su cuerpo. Otro efecto positivo de la autolimpieza es la prevención de la contaminación de la superficie de la planta expuesta a la luz, lo que reduce la fotosíntesis.

Aplicación técnica

Cuando se descubrió que las cualidades de autolimpieza de las superficies ultrahidrofóbicas provienen de propiedades físico-químicas a escala microscópica a nanoscópica en lugar de las propiedades químicas específicas de la superficie de la hoja, [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] surgió la posibilidad de utilizar este efecto en superficies artificiales, imitando la naturaleza de una manera general en lugar de una específica.

Algunos nanotecnólogos han desarrollado tratamientos, recubrimientos, pinturas, tejas, tejidos y otras superficies que se mantienen secas y se limpian solas, replicando técnicamente las propiedades de autolimpieza de plantas como el loto. Esto suele lograrse mediante tratamientos especiales con fluorocarbonos o silicona en superficies estructuradas o con composiciones que contienen partículas a microescala.

Además de los tratamientos químicos superficiales, que pueden eliminarse con el tiempo, se han esculpido metales con láseres de pulsos de femtosegundos para producir el efecto loto. [ 21 ] Los materiales son uniformemente negros desde cualquier ángulo, lo que, combinado con las propiedades de autolimpieza, podría dar lugar a colectores solares térmicos de muy bajo mantenimiento, mientras que la alta durabilidad de los metales podría utilizarse para letrinas autolimpiables para reducir la transmisión de enfermedades. [ 22 ]

Se han comercializado otras aplicaciones, como los cristales autolimpiables instalados en los sensores de las unidades de control de tráfico de las autopistas alemanas, desarrollados por un socio colaborador (Ferro GmbH). Las empresas suizas HeiQ y Schoeller Textil han desarrollado textiles resistentes a las manchas bajo las marcas " HeiQ Eco Dry " y " nanosphere ", respectivamente. En octubre de 2005, las pruebas del Instituto de Investigación Hohenstein demostraron que las prendas tratadas con la tecnología NanoSphere permitían eliminar fácilmente la salsa de tomate, el café y el vino tinto incluso después de varios lavados. Otra posible aplicación reside, por tanto, en toldos, lonas y velas autolimpiables, que de otro modo se ensucian rápidamente y resultan difíciles de limpiar.

Los recubrimientos superhidrofóbicos aplicados a las antenas de microondas pueden reducir significativamente la atenuación por lluvia y la acumulación de hielo y nieve. Los productos "fáciles de limpiar" que se anuncian a menudo se confunden con las propiedades de autolimpieza de las superficies hidrofóbicas o ultrahidrofóbicas. Las superficies ultrahidrofóbicas con patrones también resultan prometedoras para los dispositivos microfluídicos "laboratorio en un chip" y pueden mejorar notablemente el bioanálisis basado en superficies. [ 23 ]

Las propiedades superhidrofóbicas o hidrofóbicas se han utilizado en la recolección de rocío, o en la canalización del agua hacia un depósito para su uso en riego. El Groasis Waterboxx tiene una tapa con una estructura piramidal microscópica basada en las propiedades ultrahidrofóbicas que canalizan la condensación y el agua de lluvia hacia un depósito para su liberación a las raíces de una planta en crecimiento. [ 24 ]

Historia de la investigación

Aunque el fenómeno de autolimpieza del loto posiblemente se conocía en Asia mucho antes (se encuentra una referencia al efecto loto en el Bhagavad Gita [ 25 ] ), su mecanismo se explicó recién a principios de la década de 1970 después de la introducción del microscopio electrónico de barrido . [ 4 ] [ 16 ] Se realizaron estudios con hojas de Tropaeolum y loto ( Nelumbo ). [ 6 ] De manera similar al efecto loto, un estudio reciente ha revelado microestructuras en forma de panal en la hoja de taro, lo que hace que la hoja sea superhidrofóbica. El ángulo de contacto medido en esta hoja en este estudio es de alrededor de 148 grados. [ 26 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lafuma, A.; Quere, D. (2003). "Estados superhidrofóbicos". Nature Materials . 2 (7): 457– 460. Bibcode : 2003NatMa...2..457L . doi : 10.1038/nmat924 . PMID 12819775 . S2CID 19652818 .  
  2. ↑ Barthlott, W. (2023): “El descubrimiento del efecto loto como una innovación clave para las tecnologías biomiméticas” - en: Manual de superficies y materiales autolimpiables: desde los fundamentos hasta las aplicaciones, Capítulo 15, pp. 359-369 - Wiley-VCH, https://doi.org/10.1002/9783527690688.ch15
  3. ↑ Rulon E. Johnson Jr.; Robert H. Dettre (1964). "Histéresis del ángulo de contacto. III. Estudio de una superficie heterogénea idealizada". J. Phys. Chem. 68 (7): 1744– 1750. doi : 10.1021/j100789a012 .
  4. ^ Barthlott , Wilhelm; Ehler, N. (1977). "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten". Tropische und Subtropische Pflanzenwelt . 19 : 110.
  5. ↑ Recipiente de laboratorio Brown con recubrimiento hidrofóbico y proceso para su fabricación. Archivado el 22/01/2017 en Wayback Machine. Patente estadounidense 5,853,894 , emitida el 29 de diciembre de 1998.
  6. 1 2 Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis (1997). "La pureza del loto sagrado o escape de la contaminación en superficies biológicas". Planta . 202 : 1– 8. doi : 10.1007/s004250050096 . S2CID 37872229 . 
  7. ↑ Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B., & K. Koch. (2017). Superficies vegetales: estructuras y funciones para innovaciones biomiméticas. Nano-Micro Letters , 9 (23), doi:10.1007/s40820-016-0125-1 .
  8. ↑ Cheng, YT; Rodak, DE (2005). "¿Es la hoja de loto superhidrofóbica?". Appl. Phys. Lett. 86 (14): 144101. Bibcode : 2005ApPhL..86n4101C . doi : 10.1063/1.1895487 .
  9. ↑ Narhe, RD; Beysens, DA (2006). "Condensación de agua en una superficie de espiga superhidrofóbica". Europhys. Lett. 75 (1): 98– 104. Bibcode : 2006EL.....75...98N . doi : 10.1209/epl/i2006-10069-9 .
  10. ↑ Lai, SCS "Imitando la naturaleza: Base física y síntesis artificial del efecto loto" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 30 de septiembre de 2007.
  11. ↑ Koch, K.; Bhushan, B.; Barthlott, W. (2008). "Diversidad de estructura, morfología y humectación de superficies vegetales. Materia blanda". Materia blanda . 4 (10): 1943. Bibcode : 2008SMat....4.1943K . doi : 10.1039/b804854a .
  12. ↑ von Baeyer; HC (2000). "El efecto loto". The Sciences . 40 : 12–15 . doi : 10.1002/j.2326-1951.2000.tb03461.x .
  13. ↑ Neinhuis, C.; Barthlott, W. (1997). "Caracterización y distribución de superficies vegetales repelentes al agua y autolimpiantes" . Annals of Botany . 79 (6): 667– 677. doi : 10.1006/anbo.1997.0400 .
  14. ↑ Barthlott, Wilhelm; Neinhuis, C. (2001). "El efecto loto: el modelo de la naturaleza para superficies autolimpiables". Boletín Textil Internacional . 1 : 8–12 .
  15. ↑ Forbes, P. (2005). El pie del gecko, bioinspiración: ingeniería de nuevos materiales y dispositivos a partir de la naturaleza . Londres: Fourth Estate. pág. 272. ISBN  978-0-00-717990-9.
  16. 1 2 Forbes, P. (2008). "Materiales autolimpiables". Scientific American . 299 (2): 67– 75. Bibcode : 2008SciAm.299b..88F . doi : 10.1038/scientificamerican0808-88 . PMID 18666684 . 
  17. ↑ Serles, Peter; Nikumb, Suwas; Bordatchev, Evgueni (2018-06-15). "Superficies funcionalizadas superhidrofóbicas y superhidrofílicas mediante texturización láser de picosegundos". Journal of Laser Applications . 30 (3): 032505. Bibcode : 2018JLasA..30c2505S . doi : 10.2351/1.5040641 . ISSN 1042-346X . 
  18. ↑ Solga, A.; Cerman, Z.; Striffler, BF; Spaeth, M.; Barthlott, W. (2007). "El sueño de mantenerse limpio: Lotus y superficies biomiméticas". Bioinspiration & Biomimetics . 2 (4): S126– S134. Bibcode : 2007BiBi....2..126S . CiteSeerX 10.1.1.477.693 . doi : 10.1088/1748-3182/2/4/S02 . PMID 18037722 .  
  19. ↑ Mueller, T. (abril de 2008). "Biomimética, diseño de la naturaleza". Revista National Geographic : 68.
  20. ↑ Guo, Z.; Zhou, F.; Hao, J.; Liu, W. (2005). "Materiales de ingeniería superhidrofóbicos biomiméticos estables". J. Am. Chem. Soc. 127 (45): 15670– 15671. doi : 10.1021/ja0547836 . PMID 16277486 . 
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  22. ↑ Borghino, Dario (21 de enero de 2015). "Los láseres ayudan a crear metales repelentes al agua, absorbentes de luz y autolimpiables" . gizmag.com .
  23. ↑ Ressine, A.; Marko-Varga, G.; Laurell, T. (2007). Tecnología de microarrays de proteínas de silicio poroso y estados ultra/superhidrofóbicos para una lectura bioanalítica mejorada . Biotechnology Annual Review. Vol. 13. pp. 149–200 . doi : 10.1016/S1387-2656(07)13007-6 . ISBN   978-0-444-53032-5. PMID 17875477 . 
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  25. ↑ Bhagavad Gita 5.10 Archivado el 10/09/2012 en Wayback Machine
  26. ↑ Kumar, Manish; Bhardwaj (2020). "Características de humectación de la hoja de Colocasia esculenta (Taro) y una superficie bioinspirada de la misma" . Scientific Reports . 10 (1): 935. Bibcode : 2020NatSR..10..935K . doi : 10.1038/ s41598-020-57410-2 . PMC 6976613. PMID 31969578 .  
  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con la animación del efecto loto en Wikimedia Commons.
  • Vídeo que muestra una comparación entre hojas de plantas con y sin efecto loto en YouTube.
  • Grupo de proyecto Efecto loto – Instituto Nees para la biodiversidad de las plantas Universidad Friedrich-Wilhelm de Bonn
  • Artículo de Scientific American : "Materiales autolimpiables: nanotecnología inspirada en la hoja de loto"