¿Quieres una superficie que no se moje? Toma un poco de papel de lija.
Investigadores de la Universidad de Rice han desarrollado un método simple para hacer que las superficies sean superhidrofóbicas, es decir, muy repelentes al agua, sin los productos químicos que se usan a menudo en tales procesos.
Su técnica involucra papel de lija, una selección de polvos y algo de esfuerzo.
Los laboratorios de los profesores de Rice C. Fred Higgs III y James Tour, coautores correspondientes de un artículo en la revista ACS Applied Materials and Interfaces de la American Chemical Society, demostraron que lijar una superficie aumenta su capacidad para arrojar agua sin mojarse. Pero moler en polvo al mismo tiempo le da superpoderes hidrofóbicos.
Mejor aún, sus superficies superhidrofóbicas también tienen excelentes propiedades antihielo. Descubrieron que el agua tardaba 2,6 veces más en congelarse en las superficies tratadas en comparación con los materiales no tratados. También notaron que el hielo perdía el 40% de su fuerza de adhesión, incluso a temperaturas tan bajas como -31 grados Fahrenheit.
Se puede medir qué tan bien una superficie absorbe o repele el agua analizando el ángulo de contacto de las gotas que se depositan allí. Para ser superhidrofóbico, un material debe tener un ángulo de contacto con el agua, el ángulo en el que la superficie del agua se encuentra con la superficie del material, mayor de 150 grados. Cuanto mayor sea el abalorio, mayor será el ángulo. Un ángulo de cero grados es un charco, mientras que un ángulo máximo de 180 grados es una esfera que apenas toca la superficie.
Para lograr su superestado, los materiales hidrófobos tienen una energía superficial baja y una superficie rugosa. Los mejores materiales del equipo de Rice mostraron un ángulo de contacto de unos 164 grados.
Higgs, cuyo laboratorio se especializa en tribología, el estudio de superficies en contacto deslizante, dijo que ciertos tipos de papel de lija pueden proporcionar una superficie rugosa que promueve el comportamiento hidrofóbico o repelente al agua deseado.
«Sin embargo, la idea del grupo Tour de introducir materiales en polvo seleccionados entre las superficies de frotamiento durante el proceso de lijado significa que se forma una tribopelícula», dijo Higgs. «Eso da la ventaja adicional de funcionalizar la superficie para repeler el agua cada vez más».
Una tribopelícula se forma en una reacción química sobre superficies que se deslizan entre sí. La superficie del pistón de un motor es un buen ejemplo, dijo.
Higgs dijo que el lijado vuelve ásperas las superficies más blandas y permite que los polvos se adhieran a través de las fuerzas de van der Waals. «Estas fuerzas son máximas cuando las superficies entran en estrecho contacto», dijo. «Por lo tanto, las partículas de polvo pueden adherirse incluso después de que se completa el proceso de lijado».
Los cambios estructurales y la transferencia de masa y electrones parecen reducir la energía superficial de los materiales que, antes del tratamiento, ya eran levemente hidrofóbicos o hidrofílicos, según los investigadores.
El equipo de Rice aplicó la técnica en una variedad de superficies (teflón, polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y polidimetilsiloxano) con una variedad de aditivos en polvo. Estos incluyeron fibra de grafeno inducida por láser, grafeno flash turboestrático, disulfuro de molibdeno, teflón y nitruro de boro. Se utilizó una variedad de lijas de óxido de aluminio, de grano 180 a 2000.
Los materiales resistentes demostraron ser robustos, ya que ni el calentamiento a 130 grados Celsius (266 grados Fahrenheit) ni los 18 meses bajo el sol de Houston los degradaron. Pegar cinta transparente a la superficie y despegarla 100 veces tampoco las degradó. Pero incluso cuando los materiales comenzaron a fallar, los laboratorios descubrieron que volver a lijarlos podría restaurar fácilmente su hidrofobicidad.
El equipo también descubrió que al cambiar las condiciones de lijado y los aditivos en polvo, los materiales también pueden volverse hidrófilos o absorbentes de agua.
Tour dijo que simplificar la fabricación de materiales superhidrofóbicos y anticongelantes debería atraer el interés de la industria. «Es difícil hacer estos materiales», dijo. «Las superficies superhidrofóbicas no permiten la acumulación de agua. El agua gotea y sale rodando si hay el más mínimo ángulo o viento suave.
«Ahora, casi cualquier superficie se puede hacer superhidrofóbica en segundos», dijo Tour. «Los polvos pueden ser tan simples como el teflón o el disulfuro de molibdeno, ambos fácilmente disponibles, o materiales de grafeno más nuevos. Muchas industrias podrían aprovechar esto, desde los constructores de aviones y barcos hasta los rascacielos, donde la adherencia con poco hielo es esencial. «
«Los fabricantes de aviones no quieren que se forme hielo en sus alas, los capitanes de los barcos no quieren que el arrastre del agua del océano los frene y los dispositivos biomédicos deben evitar la bioincrustación, donde las bacterias se acumulan en las superficies mojadas», dijo Higgs. «Las superficies superhidrofóbicas robustas y duraderas producidas a partir de este método de lijado de un solo paso pueden aliviar muchos de estos problemas.
«Una limitación de otras técnicas para generar superficies hidrofóbicas es que no se amplían a grandes áreas de superficie como las de aviones y barcos», dijo. «Las técnicas de aplicación simples como la desarrollada aquí deberían ser escalables».
El estudiante graduado de Rice, Weiyin Chen, coautor principal del nuevo artículo, dijo que el laboratorio Tour también ha aplicado su técnica de lijado a varias superficies metálicas, incluidas, como se informó en otro artículo reciente, láminas de litio y sodio para baterías metálicas.
«Las reacciones químicas espontáneas provocan la formación de tribopelículas, en este caso, la interfase de electrolito sólido artificial», dijo Chen. «Los metales modificados se pueden usar como ánodos para baterías de metal recargables».
El ex alumno de Rice Winston Wang y el visitante académico Duy Xuan Luong son coautores principales del artículo. Los coautores son los ex alumnos de Rice John Tianci Li, Yieu Chyan, Kaichun Yang y Wala Algozeeb y los estudiantes graduados Victoria Granja, Paul Advincula y Chang Ge. Higgs es vicerrector de asuntos académicos, John and Ann Doerr Professor en Ingeniería Mecánica, profesor de bioingeniería y director de la facultad del Centro Rice para el Liderazgo en Ingeniería. Tour es el titular de la Cátedra TT y WF Chao de Química, así como profesor de informática y de ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea apoyó la investigación.
Video: https://youtu.be/P4Y6I8jhD2Q
