Efecto loto
Propiedades autolimpiantes
Agua en la superficie de una hoja de loto.
Gotas de agua sobre una hoja de taro con efecto de loto (arriba) y superficie de la hoja de taro ampliada (0–1 es un milímetro de distancia) que muestra una serie de pequeñas protuberancias (abajo).
Gráfico de computadora de la superficie de una hoja de loto.
Una gota de agua sobre la superficie de un loto que muestra ángulos de contacto de aproximadamente 147°.

El efecto loto se refiere a las propiedades de autolimpieza que son resultado de la ultrahidrofobicidad que exhiben las hojas de Nelumbo , la flor de loto. [1] Las partículas de suciedad son recogidas por las gotas de agua debido a la arquitectura micro y nanoscópica en la superficie, lo que minimiza la adhesión de la gota a esa superficie. La ultrahidrofobicidad y las propiedades de autolimpieza también se encuentran en otras plantas, como Tropaeolum (capuchina), Opuntia (tuna), 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 hidrófobas 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 micro- nanoestructuradas ultrahidrofóbicas fue estudiada por Wilhelm Barthlott y Ehler en 1977 [4] , quienes describieron tales propiedades de autolimpieza y ultrahidrofobicidad por primera vez como el "efecto loto"; los materiales ultrahidrofóbicos de perfluoroalquilo y perfluoropoliéter fueron desarrollados por Brown 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 de superficie mínima y, por lo tanto, esta forma minimiza la energía superficial sólido-líquido. Al entrar en contacto el líquido con una superficie, las fuerzas de adhesión dan lugar a la humectación de la superficie. La humectación puede producirse completa o incompleta según 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 y 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 da como resultado 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 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 cuales se superponen las llamadas ceras epicuticulares . Estas ceras superpuestas son hidrófobas y forman la segunda capa de la estructura doble. 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. Las superficies con un ángulo de contacto < 90° se denominan hidrófilas y las que tienen un ángulo > 90°, hidrófobas. Algunas plantas muestran ángulos de contacto de hasta 160° y se denominan ultrahidrofóbicas, lo que significa que solo el 2-3% 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°, con lo que el área de contacto de la gota es solo del 0,6%. Todo esto conduce a un efecto de autolimpieza.

Las partículas de suciedad con una superficie de contacto extremadamente reducida son captadas 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 de este tipo, la adherencia entre la partícula de suciedad, independientemente de su composición 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 superhidrofóbica. [17] Como 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 es una protección contra los grafitis.

Este efecto es de gran importancia para las plantas, ya que les protege contra el crecimiento de 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 da como resultado una reducción de la fotosíntesis.

Aplicación técnica

Cuando se descubrió que las cualidades autolimpiantes 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, revestimientos, pinturas, tejas, tejidos y otras superficies que pueden permanecer secas y limpiarse por sí solas, replicando de manera técnica las propiedades autolimpiantes de las plantas, como la planta de loto. Esto se puede lograr generalmente mediante tratamientos especiales con fluoroquímicos o siliconas sobre superficies estructuradas o con composiciones que contienen partículas a escala microscópica.

Además de los tratamientos químicos de superficie, que pueden eliminarse con el tiempo, se han esculpido metales con láseres de pulso de femtosegundos para producir el efecto loto. [21] 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. [22]

En el mercado se han desarrollado otras aplicaciones, como por ejemplo los cristales autolimpiantes que se instalan en los sensores de las unidades de control del tráfico en las autopistas alemanas, desarrollados por un socio colaborador (Ferro GmbH). [ cita requerida ] Las empresas suizas HeiQ y Schoeller Textil han desarrollado tejidos 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 unos pocos lavados. Otra posible aplicación es, por tanto, en toldos, lonas y velas autolimpiantes, que de otro modo se ensucian rápidamente y son difíciles de limpiar.

Los recubrimientos superhidrofóbicos aplicados a las antenas de microondas pueden reducir significativamente la decoloración por la lluvia y la acumulación de hielo y nieve. Los productos "fáciles de limpiar" que aparecen en los anuncios suelen confundirse con las propiedades autolimpiantes de las superficies hidrofóbicas o ultrahidrofóbicas. Las superficies ultrahidrofóbicas estampadas también son prometedoras para los dispositivos microfluídicos de "laboratorio en un chip" y pueden mejorar enormemente 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 recipiente 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 recipiente para su liberación a las raíces de una planta en crecimiento. [24]

Historial de 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 fue explicado solo 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 similares a panales 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. Código Bibliográfico :2003NatMa...2..457L. doi :10.1038/nmat924. PMID  12819775. S2CID  19652818.
  2. ^ Barthlott, W. (2023): “El descubrimiento del efecto loto como innovación clave para las tecnologías biomiméticas” - en: Manual de superficies y materiales autolimpiantes: de los fundamentos a las aplicaciones, Capítulo 15, págs. 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. ^ ab Barthlott, Wilhelm; Ehler, N. (1977). "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten". Tropische und Subtropische Pflanzenwelt . 19 : 110.
  5. ^ Recipiente de laboratorio marrón con revestimiento hidrófobo y proceso para su fabricación Archivado el 22 de enero de 2017 en Wayback Machine . Patente de EE. UU. 5.853.894 , emitida el 29 de diciembre de 1998
  6. ^ ab Barthlott, Wilhelm; C. Neinhuis (1997). "La pureza del loto sagrado o el escape de la contaminación en superficies biológicas". Planta . 202 : 1–8. doi :10.1007/s004250050096. S2CID  37872229.
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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Efecto loto.
  • Medios relacionados con Animación del efecto loto en Wikimedia Commons
  • Vídeo que muestra la comparación entre hojas de plantas con y sin efecto loto en YouTube
  • Grupo de proyecto Efecto loto - Instituto Nees de Biodiversidad Vegetal Universidad Friedrich-Wilhelm de Bonn
  • Artículo de Scientific American : “Materiales autolimpiantes: nanotecnología inspirada en las hojas de loto”
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