fobia al hielo

La icefobicidad (del griego φόβος phobos "miedo") es la capacidad de una superficie sólida para repeler el hielo o prevenir su formación debido a una determinada estructura topográfica de la superficie. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} La palabra "icefobic" se utilizó por primera vez al menos en 1950; ^{[ 6 ]} sin embargo, el progreso en superficies micropatternadas ha generado un creciente interés por la icefobicidad desde la década de 2000.

El término «hielofobia» es similar al término hidrofobicidad y otras «-fobias» en química física ( oleofobicidad , lipofobicidad , omnifobicidad , anfifobicidad , etc.). La hielofobia se diferencia del deshielo y el antihielo en que las superficies hielofóbicas, a diferencia de las superficies antihielo, no requieren tratamientos especiales ni recubrimientos químicos para evitar la formación de hielo. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Existe un paralelismo adicional entre la hidrofobicidad y la icterofobia. La hidrofobicidad es crucial para el " efecto hidrofóbico " y las interacciones hidrofóbicas . Para dos moléculas hidrofóbicas (por ejemplo, hidrocarburos) colocadas en agua, existe una fuerza hidrofóbica repulsiva efectiva, de origen entrópico, debido a su interacción con el medio acuoso. El efecto hidrofóbico es responsable del plegamiento de proteínas y otras macromoléculas, lo que da lugar a su forma fractal . Durante la formación de cristales de hielo ( copos de nieve ), la sincronización del crecimiento de las ramas se produce debido a la interacción con el medio ( vapor sobresaturado ), lo que es algo similar al efecto hidrofóbico : la aparente repulsión de las partículas hidrofóbicas debido a su interacción con el medio (agua). En consecuencia, a pesar de que las formas de los copos de nieve son muy diversas y "no hay dos copos iguales entre sí", la mayoría de los cristales de nieve son simétricos, con cada una de las seis ramas casi idéntica a las otras cinco. Además, tanto la hidrofobicidad como la icterofobia pueden dar lugar a fenómenos bastante complejos, como la complejidad autoorganizada impulsada por la criticidad como resultado de interacciones hidrofóbicas (durante la humectación de superficies rugosas/heterogéneas o durante el plegamiento y la formación de bucles de cadenas polipeptídicas) o la cristalización del hielo (copos de nieve fractales). ^{[ 7 ]}

Nótese que, termodinámicamente, tanto las interacciones hidrofóbicas como la formación de hielo están impulsadas por la minimización de la energía libre de Gibbs superficial , ΔG = ΔH − TΔS, donde H, T y S son la entalpía , la temperatura y la entropía , respectivamente. Esto se debe a que, en las interacciones hidrofóbicas, un valor positivo grande de TΔS prevalece sobre un valor positivo pequeño de ΔH, lo que hace que la interacción hidrofóbica espontánea sea energéticamente ventajosa. La denominada transición de rugosidad superficial rige la dirección del crecimiento del cristal de hielo y ocurre a la temperatura crítica, por encima de la cual la contribución entrópica a la energía libre de Gibbs, TΔS, prevalece sobre la contribución entálpica, ΔH, lo que hace que sea energéticamente más ventajoso para el cristal de hielo ser rugoso que liso. Esto sugiere que, termodinámicamente, tanto el comportamiento hidrofóbico como el de la formación de hielo pueden considerarse efectos entrópicos. ^{[ 7 ]}

Sin embargo, la hidrofobicidad es diferente de la hidrofobicidad . La hidrofobicidad es una propiedad caracterizada por el ángulo de contacto del agua (CA) y las energías interfaciales de las interfaces sólido-agua, sólido-vapor y agua-vapor, y por lo tanto es una propiedad termodinámica que generalmente se define cuantitativamente como CA > 90 grados. Otra diferencia es que la hidrofobicidad se opone naturalmente a la hidrofilicidad . No existe tal oposición para la hidrofobicidad, que por lo tanto debe definirse estableciendo un umbral cuantitativo. La hidrofobicidad se asemeja mucho más a cómo se define la superhidrofobicidad . ^{[ 7 ]}

En publicaciones recientes sobre el tema, existen tres enfoques para la caracterización de la hidrofobicidad de la superficie. ^{[ 7 ]} En primer lugar, la hidrofobicidad implica una baja fuerza de adhesión entre el hielo y la superficie sólida. En la mayoría de los casos, se calcula la tensión de corte crítica, aunque también se puede utilizar la tensión normal . Si bien hasta el momento no se ha sugerido una definición cuantitativa explícita para la hidrofobicidad, los investigadores caracterizaron las superficies hidrofóbicas como aquellas que tienen una resistencia al corte (tensión máxima) menor en la región entre 150 kPa y 500 kPa, e incluso tan baja como 15,6 kPa. ^{[ 1 ] [ 7 ]}

En segundo lugar, la hidrofobicidad implica la capacidad de prevenir la formación de hielo en la superficie. Esta capacidad se caracteriza por si una gota de agua subenfriada (por debajo de la temperatura de congelación normal de 0 °C) se congela en la interfaz. El proceso de congelación se puede caracterizar por el retardo temporal de la nucleación heterogénea del hielo . Los mecanismos de congelación de las gotas son bastante complejos y pueden depender del nivel de temperatura, de si el enfriamiento de la gota se realiza desde el lado del sustrato sólido o desde el vapor, y de otros factores.

En tercer lugar, las superficies hidrofóbicas deben repeler las pequeñas gotas entrantes (por ejemplo, de lluvia o niebla ) a temperaturas inferiores al punto de congelación . ^{[ 12 ]}

Estas tres definiciones implican que las superficies hidrofóbicas deben (i) evitar la congelación del agua que se condensa en la superficie, (ii) evitar la congelación del agua entrante y (iii) si se forma hielo, debe tener una baja fuerza de adhesión con el sólido, de modo que pueda eliminarse fácilmente. Las propiedades antihielo pueden depender de circunstancias tales como si la superficie sólida está más fría que el aire/vapor, qué tan grande es el gradiente de temperatura y si tiende a formarse una película delgada de agua en la superficie sólida debido a efectos capilares, presión de disyunción, etc. Las propiedades mecánicas del hielo y del sustrato también son de gran importancia, ya que el desprendimiento de hielo ocurre como fractura, ya sea en el Modo I (normal) o en el Modo II (cizallamiento), por lo que los concentradores de grietas son los principales contribuyentes a la reducción de la resistencia. ^{[ 4 ] [ 7 ]}