Efecto loto

El efecto loto se refiere a las propiedades autolimpiantes que son el resultado de la ultrahidrofobicidad que exhiben las hojas de Nelumbo, la flor de loto. Las partículas de suciedad son recogidas por las gotas de agua debido a la arquitectura micro y nanoscópica de la superficie, que minimiza la adhesión de las gotas a esa superficie. Las propiedades de ultrahidrofobicidad y autolimpieza también se encuentran en otras plantas, como Tropaeolum (capuchina), Opuntia (tuna), Alchemilla, caña , y también en las alas de ciertos insectos.

El fenómeno de la ultrahidrofobicidad fue estudiado por primera vez por Dettre y Johnson en 1964 utilizando superficies hidrofóbicas rugosas. Su trabajo desarrolló un modelo teórico basado en experimentos con perlas de vidrio recubiertas con parafina o telómero de PTFE. La propiedad de autolimpieza de las superficies micronanoestructuradas ultrahidrófobas fue estudiada por Wilhelm Barthlott y Ehler en 1977, quienes describieron dichas propiedades de autolimpieza y ultrahidrófobas por primera vez como el "efecto loto"; Brown desarrolló materiales ultrahidrófobos de perfluoroalquilo y perfluoropoliéter en 1986 para manipular fluidos químicos y biológicos. Desde la década de 1990 han surgido otras aplicaciones biotécnicas.

Principio de funcionamiento

La alta tensión superficial del agua hace que las gotas adopten una forma casi esférica, ya que una esfera tiene una superficie mínima y, por lo tanto, esta forma minimiza la energía superficial sólido-líquido. Cuando el líquido entra en contacto con una superficie, las fuerzas de adhesión provocan que la superficie se humedezca. Puede ocurrir una humectación completa o incompleta dependiendo de la estructura de la superficie y la tensión del fluido de la gota. La causa de las propiedades de autolimpieza es la doble estructura hidrófoba e hidrófuga de la superficie. Esto permite reducir significativamente el área de contacto y la fuerza de adhesión entre la superficie y la gota, lo que da como resultado un proceso de autolimpieza. Esta doble estructura jerárquica está formada por una epidermis característica (su capa más externa llamada cutícula) y las ceras que la cubren. La epidermis de la planta de loto posee papilas de 10 µm a 20 µm de altura y de 10 µm a 15 µm de ancho, sobre las que se aplican las llamadas ceras epicuticulares. Estas ceras superpuestas son hidrófobas y forman la segunda capa de la doble estructura. Este sistema se regenera. Esta propiedad bioquímica es responsable del funcionamiento de la repelencia al agua de la superficie.

La hidrofobicidad de una superficie se puede medir por su ángulo de contacto. Cuanto mayor sea el ángulo de contacto, mayor será la hidrofobicidad de una superficie. Superficies con un ángulo de contacto < Los de 90° se denominan hidrófilos y los que tienen un ángulo >90°, hidrófobos. Algunas plantas muestran ángulos de contacto de hasta 160° y se denominan ultrahidrófobas, lo que significa que sólo 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 la flor de loto, pueden alcanzar un ángulo de contacto de 170°, mientras que el área de contacto de la gota es sólo del 0,6%. Todo esto conduce 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 tan contaminada, la adhesión entre la partícula de suciedad, independientemente de su química, y la gota es mayor que 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 superhidrófoba. Como este efecto de autolimpieza se basa en la alta tensión superficial del agua, no funciona con disolventes orgánicos. Por tanto, la hidrofobicidad de una superficie no constituye ninguna protección contra los graffitis.

Este efecto es de gran importancia para las plantas como protección contra patógenos como hongos o crecimiento de 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 del área de la superficie de una planta expuesta a la luz, lo que resulta en una reducción de la fotosíntesis.

Aplicación técnica

Cuando se descubrió que las cualidades autolimpiantes de las superficies ultrahidrófobas provienen de propiedades físico-químicas a escala microscópica a nanoscópica y no de las propiedades químicas específicas de la superficie de la hoja, surgió la posibilidad de utilizar este efecto en superficies artificiales. , imitando la naturaleza de forma general y no específica.

Algunos nanotecnólogos han desarrollado tratamientos, revestimientos, pinturas, tejas, tejidos y otras superficies que pueden permanecer secas y limpiarse por sí solas replicando de manera técnica las propiedades de autolimpieza de las plantas, como la planta de loto. Por lo general, esto se puede lograr utilizando tratamientos especiales fluoroquímicos o de silicona en superficies estructuradas o con composiciones que contienen partículas a microescala.

Además de los tratamientos químicos de la superficie, que pueden eliminarse con el tiempo, los metales se han esculpido con láseres de pulso de femtosegundo para producir el efecto de loto. Los materiales son uniformemente negros en cualquier ángulo, lo que, combinado con las propiedades de autolimpieza, podría producir colectores de energía solar térmica de muy bajo mantenimiento, mientras que la alta durabilidad de los metales podría usarse para letrinas autolimpiantes para reducir la transmisión de enfermedades.

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

Los revestimientos superhidrófobos aplicados a antenas de microondas pueden reducir significativamente la decoloración por lluvia y la acumulación de hielo y nieve. "Fácil de limpiar" Los productos en los anuncios a menudo se confunden con el nombre de las propiedades de autolimpieza de las superficies hidrófobas o ultrahidrófobas. Las superficies ultrahidrófobas estampadas también son prometedoras para aplicaciones de "laboratorio en un chip" dispositivos de microfluidos y pueden mejorar en gran medida el bioanálisis basado en superficies.

Las propiedades superhidrófobas o hidrófobas se han utilizado en la recolección de rocío o en la canalización de agua a una cuenca para su uso en riego. Groasis Waterboxx tiene una tapa con una estructura piramidal microscópica basada en las propiedades ultrahidrófobas que canalizan la condensación y el agua de lluvia en un recipiente para liberarlas a las raíces de una planta en crecimiento.

Historia de la investigación

Aunque el fenómeno de autolimpieza del loto posiblemente se conocía en Asia mucho antes (se encuentra una referencia al efecto del loto en el Bhagavad Gita), su mecanismo no se explicó hasta principios de los años 1970, después de la introducción del microscopio electrónico de barrido. Los estudios se realizaron con hojas de Tropaeolum y de loto (Nelumbo). Similar al efecto de loto, un estudio reciente ha revelado microestructuras en forma de panal en la hoja de taro, que hace que la hoja sea superhidrófoba. El ángulo de contacto medido en esta hoja en este estudio es de alrededor de 148 grados.