Efecto Salvinia
Salvinia gigante (S. molesta) a diferentes aumentos; en la imagen SEM d) son visibles los cristales de cera que repelen el agua y las cuatro células de anclaje libres de cera hidrófilas en las puntas de los pelos.

El efecto Salvinia describe la estabilización permanente de una capa de aire sobre una superficie estructurada jerárquicamente sumergida en agua. Basándose en modelos biológicos (por ejemplo, los helechos flotantes Salvinia , el nadador de espalda Notonecta ), las superficies biomiméticas de Salvinia se utilizan como recubrimientos reductores de la resistencia (se midió previamente una reducción de hasta el 30% en los primeros prototipos. [1] [2] Cuando se aplica al casco de un barco, el recubrimiento permitiría que el barco flote sobre una capa de aire, reduciendo el consumo de energía y las emisiones. Tales superficies requieren una superficie superhidrofóbica extremadamente repelente al agua y una estructura peluda elástica en el rango milimétrico para atrapar el aire mientras está sumergido. El efecto Salvinia fue descubierto por el biólogo y botánico Wilhelm Barthlott (Universidad de Bonn) y sus colegas y ha sido investigado en varias plantas y animales desde 2002. Se publicaron publicaciones y patentes entre 2006 y 2016. [3] Los mejores modelos biológicos son los helechos flotantes ( Salvinia) con superficies peludas estructuradas jerárquicamente altamente sofisticadas, [4] y los nadadores de espalda (por ejemplo, Notonecta) con una estructura doble compleja de pelos (setas) y microvellosidades (microtriquias). Tres de las diez especies conocidas de Salvinia muestran una heterogeneidad química paradójica: puntas de pelos hidrófilos, además de la superficie vegetal superhidrófoba, que estabiliza aún más la capa aérea. [5]

Salvinia,Notonectay otros organismos con superficies que retienen aire

Las superficies estructuradas sumergidas en agua, extremadamente repelentes al agua ( superhidrofóbicas ), atrapan el aire entre las estructuras y esta capa de aire se mantiene durante un período de tiempo. En las superficies sumergidas se puede ver un brillo plateado, debido al reflejo de la luz en la interfaz entre el aire y el agua.

Las capas de aire de larga duración también se dan en los artrópodos acuáticos que respiran a través de una branquia física (plastrón), por ejemplo, la araña de agua ( Argyroneta ) y la chinche platillo ( Aphelocheirus ). Las capas de aire presumiblemente también favorecen la reducción de la fricción en animales que se mueven rápidamente bajo el agua, como es el caso del nadador de espaldas Notonecta . [6]

Los ejemplos más conocidos de retención de aire a largo plazo bajo el agua son los helechos flotantes del género Salvinia . Se encuentran alrededor de diez especies de tamaños muy diversos en aguas lénticas en todas las regiones más cálidas de la Tierra, una especie ampliamente extendida ( S. natans ) que se encuentra en climas templados se puede encontrar incluso en Europa Central . La capacidad de retener aire es presumiblemente una técnica de supervivencia para estas plantas. El lado superior de las hojas flotantes es altamente repelente al agua y posee pelos muy complejos y específicos de la especie. [4] Algunas especies presentan pelos independientes multicelulares de 0,3 a 3 mm de longitud (por ejemplo, S. cucullata), mientras que en otras, dos pelos están conectados en las puntas (por ejemplo, S. oblongifolia ). S. minima y S. natans tienen cuatro pelos independientes conectados en una sola base. La Salvinia gigante ( S. molesta ), así como S. auriculata y otras especies estrechamente relacionadas, muestran los pelos más complejos: cuatro pelos crecen en un eje compartido; Están conectados por sus puntas. Estas estructuras se parecen a batidores de huevos microscópicos y por eso se las conoce como “tricomas batidores de huevos”. Toda la superficie de la hoja, incluidos los pelos, está cubierta de cristales de cera a escala nanométrica que son la razón de las propiedades repelentes al agua de las superficies. Por lo tanto, estas superficies de las hojas son un ejemplo clásico de una “estructuración jerárquica”. [4]

Los pelos en forma de batidor de huevo de Salvinia molesta y especies estrechamente relacionadas (por ejemplo, S. auriculata ) muestran una propiedad notable adicional. Las cuatro células en la punta de cada pelo (las células de anclaje), [3] a diferencia del resto del pelo, están libres de cera y, por lo tanto, son hidrófilas ; en efecto, islas humectables rodeadas por una superficie superhidrófoba. Esta heterogeneidad química, [5] la paradoja de Salvinia , permite una fijación de la interfaz aire-agua a la planta y aumenta la presión y la estabilidad a largo plazo de la capa de aire. [5] [7]

La superficie de retención de aire del helecho flotante no conduce a una reducción de la fricción. La Salvinia gigante (S. molesta), extremadamente adaptable ecológicamente, es una de las plantas invasoras más importantes en todas las regiones tropicales y subtropicales de la Tierra y es la causa de problemas económicos y ecológicos. [8] Su tasa de crecimiento podría ser la más alta de todas las plantas vasculares. En los trópicos y en condiciones óptimas, S. molesta puede duplicar su biomasa en cuatro días. El efecto Salvinia, descrito aquí, probablemente juega un papel esencial en su éxito ecológico; las esteras de plantas flotantes de múltiples capas presumiblemente mantienen su función de intercambio de gases dentro de la capa de aire.

El principio de funcionamiento

Nadador de espalda (Notonecta glauca) bajo el agua: el brillo plateado proviene de la luz que se refleja en la interfaz entre la capa de aire del ala y el agua circundante.

El efecto Salvinia define superficies que son capaces de mantener permanentemente capas de aire relativamente gruesas como resultado de su química hidrófoba, en combinación con una arquitectura compleja [9] en dimensiones nano y microscópicas.

Este fenómeno fue descubierto durante una investigación sistemática sobre plantas y animales acuáticos por Wilhelm Barthlott y sus colegas en la Universidad de Bonn entre 2002 y 2007. [10] Se han definido cinco criterios, [11] que permiten la existencia de capas de aire estables bajo el agua y a partir de 2009 definen el efecto Salvinia: [12] (1) la química de las superficies hidrófobas en combinación con (2) estructuras nanoescalares generan superhidrofobicidad, (3) estructuras jerárquicas microscópicas que van desde unos pocos micro a varios milímetros con (4) socavaduras y (5) propiedades elásticas. La elasticidad parece ser importante para la compresión de la capa de aire en condiciones hidrostáticas dinámicas. [13] Un criterio de optimización adicional es la heterogeneidad química de las puntas hidrófilas (paradoja de Salvinia [4] [6] ). Este es un excelente ejemplo de una estructuración jerárquica en varios niveles. [12]

En plantas y animales, las superficies de retención de aire con efecto salvinia siempre están fragmentadas en pequeños compartimentos con una longitud de 0,5 a 8 cm y los bordes están sellados contra la pérdida de aire mediante microestructuras particulares. [1] [3] [14] Los compartimentos con bordes sellados también son importantes para aplicaciones técnicas.

El principio de funcionamiento se ilustra en el caso de la Salvinia gigante. [4] Las hojas de S. molesta son capaces de mantener una capa de aire en sus superficies durante mucho tiempo cuando están sumergidas en agua. Si se tira de una hoja bajo el agua, la superficie de la hoja muestra un brillo plateado. La característica distintiva de S. molesta radica en la estabilidad a largo plazo. Mientras que la capa de aire en la mayoría de las superficies hidrófobas desaparece poco después de sumergirse, S. molesta es capaz de estabilizar el aire durante varios días o varias semanas. El lapso de tiempo, por tanto, está limitado únicamente por la vida de la hoja.

Ilustración esquemática de la estabilización de las capas de aire submarinas retenidas por las células de anclaje hidrofílicas (“paradoja de Salvinia”)

La alta estabilidad es una consecuencia de una combinación aparentemente paradójica de una superficie superhidrofóbica (extremadamente repelente al agua) con parches hidrófilos (atractivos al agua) en las puntas de las estructuras.

Cuando se sumergen bajo el agua, el agua no puede penetrar en el espacio entre los pelos debido al carácter hidrófobo de las superficies. Sin embargo, el agua queda fijada en la punta de cada pelo por las cuatro células terminales libres de cera (hidrófilas). Esta fijación produce una estabilización de la capa de aire bajo el agua. El principio se muestra en la figura.

Se muestran esquemáticamente dos superficies sumergidas que retienen el aire: en el lado izquierdo: una superficie hidrófoba. En el lado derecho: una superficie hidrófoba con puntas hidrófilas.

Si se aplica una presión negativa, se forma rápidamente una burbuja en las superficies puramente hidrófobas (izquierda) que se extienden sobre varias estructuras. Al aumentar la presión negativa, la burbuja crece y puede desprenderse de la superficie. La burbuja de aire sube a la superficie y la capa de aire disminuye hasta desaparecer por completo.

En el caso de la superficie con células de anclaje hidrofílicas (derecha), el agua se fija a las puntas de cada estructura mediante la zona hidrofílica de la parte superior. Estos enlaces permiten la formación de una burbuja que se extiende sobre varias estructuras; la liberación de burbujas se suprime porque primero deben romperse varios enlaces. Esto da como resultado un mayor aporte de energía para la formación de burbujas. Por lo tanto, se necesita una mayor presión negativa para formar una burbuja capaz de desprenderse de la superficie y ascender.

Aplicación técnica biomimética

Nadadores de espalda (Notonecta glauca): las interfaces de las alas que miran hacia el agua tienen una estructura jerárquica compuesta por pelos largos (Satae) y una alfombra de microvellosidades.

Las superficies de retención de aire bajo el agua son de gran interés para aplicaciones técnicas. Si se logra transferir el efecto a una superficie técnica, los cascos de los barcos podrían recubrirse con esta superficie para reducir la fricción entre el barco y el agua, lo que se traduciría en un menor consumo de combustible, menores costes de combustible y una reducción de su impacto medioambiental negativo (efecto antiincrustante por la capa de aire). [15] En 2007, los primeros barcos de prueba consiguieron ya una reducción de la fricción del diez por ciento [9] y el principio fue posteriormente patentado. [16] Hoy en día, los científicos suponen una reducción de la fricción de más del 30 por ciento. [17]

El principio subyacente se muestra esquemáticamente en una figura. En ella se comparan dos perfiles de flujo: el de flujo laminar en agua sobre una superficie sólida y el de agua que fluye sobre una superficie que retiene aire.

Si el agua fluye sobre una superficie sólida lisa, la velocidad en la superficie es cero debido a la fricción entre el agua y las moléculas de la superficie. Si hay una capa de aire entre la superficie sólida y el agua, la velocidad es mayor que cero. La menor viscosidad del aire (55 veces menor que la del agua) reduce la transmisión de las fuerzas de fricción en el mismo factor.

Ilustración esquemática que compara la dinámica de fluidos del agua a lo largo de una superficie sólida y una superficie que retiene aire: directamente en la superficie sólida, la velocidad del agua es cero debido a la fricción de las moléculas de agua y la superficie (izquierda). En el caso de la superficie que retiene aire (derecha), la capa de aire actúa como agente deslizante. Debido a la baja viscosidad del aire, el agua puede moverse en la interfaz aire-agua, lo que significa una reducción de la resistencia y una velocidad mayor que cero.

Los investigadores están trabajando actualmente en el desarrollo de una superficie biomimética que retenga el aire de forma permanente, modelada a partir de S. molesta [18], para reducir la fricción en los barcos. Se ha demostrado que las superficies con efecto Salvinia absorben el petróleo de forma rápida y eficiente y pueden utilizarse para aplicaciones de separación de petróleo y agua [19].

Animaciones

El dispositivo biomimético BOA (Bionic Oil Adsorber) separa automáticamente y sobre una base puramente física las películas de aceite de las superficies del agua. Fue desarrollado a partir de la investigación sobre el efecto Salvina y el efecto Lotus en 2018 en la Universidad de Bonn. La película de aceite (roja) se adsorbe sobre un tejido biomimético (verde) y se recoge en un recipiente flotante (gris) para su posterior eliminación. Más información en Barthlott et al. en Phil Trans. Roy. Soc. A. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott, M. Moosmann & M. Mail 2020
El efecto Salvinia para la separación de agua y aceite: adsorción y transporte rápidos y superficiales de una gota de petróleo crudo sobre una hoja superhidrofóbica de Salvinia molesta que atrapa el aire. Más información en Barthlott et al. en Phil Trans. Roy. Soc. A. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott & M. Mail 2020

Véase también

Referencias

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  2. ^ Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B. y K. Koch. (2017). Superficies vegetales: estructuras y funciones para innovaciones biomiméticas. Nano-Micro Letters , 9 (23), doi:10.1007/s40820-016-0125-1.
  3. ^ abc Barthlott, W., Wiersch, S., Čolić, Z., y K. Koch, (2009) Clasificación de los tipos de tricomas dentro de las especies del helecho acuático Salvinia y ontogenia de los tricomas del género Egg-Breaker. Botany . 87(9). pp 830–836, DOI:10.1139/B09-048.
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Lectura adicional

  • Barthlott, Guillermo; Schimmel, Thomas; Wiersch, Sabine; Koch, Kerstin; Brede, Martín; Barczewski, Matías; Walheim, Stefan; Weis, Aarón; Kaltenmaier, Anke; Líder, Alfred; Bohn, Holger F. (2010), "La paradoja de Salvinia: superficies superhidrofóbicas con pasadores hidrofílicos para la retención de aire bajo el agua", Materiales avanzados (en alemán), vol. 22, núm. 21, págs. 2325–2328, Bibcode :2010AdM....22.2325B, doi :10.1002/adma.200904411, PMID  20432410, S2CID  205236244
  • P. Ditsche-Kuru, MJ Mayser, ES Schneider, HF Bohn, K. Koch, J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Leder. M. Barczewski, A. Weis, A. Kaltenmaier, S. Walheim, Th. Schimmel, W. Barthlott: Eine Lufthülle für Schiffe – Können Schwimmfarn und Rückenschwimmer helfen Sprit zu saven? En: AB Kesel, D. Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur −5. Congreso Bremer Bionik. AB Kesel y D. Zehren. Bremen 2011, páginas 159–165.
  • "Salvinia Effect", Biomimetics: Bioinspired Hierarchical-structured Surfaces for Green Science and Technology (en alemán), Berlín/Nueva York: Springer, págs. 179-186, 2012, ISBN 978-3-642-25407-9
  • Konrad, Wilfried; Apeltauer, Christian; Frauendiener, Jörg; Barthlott, Wilhelm; Roth-Nebelsick, Anita (2009), "Aplicación de métodos de geometría diferencial para diseñar capas de aire estables y persistentes adheridas a objetos sumergidos en agua", Journal of Bionic Engineering (en alemán), vol. 4, núm. 6, págs. 350–356, doi :10.1016/S1672-6529(08)60133-X, S2CID  53338503
  • S. Klein: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd , Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
  • W. Baumgarten, B. Böhnlein, A. Wolter, M. Brede, W. Barthlott, A. Leder: Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stabilität von Luft-Wasser Grenzflächen an biomimetischen, Luft haltenden Beschichtungen . En: B. Ruck, C. Gromke, K. Klausmann, A. Leder, D. Dopheide (Ed.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik . 22. Fachtagung, 9.–11. Septiembre de 2014, Karlsruhe; (Banda de etiquetas). Karlsruhe, Dt. Ges. für Laser-Anemometrie GALA eV, ISBN 978-3-9816764-0-2 , págs. 36.1–36.5 (en línea). 
  • M. Rauhe: Salvinia-Effekt Gute Luft unter Wasser. En: MIRAR. Nro. 4, 2010, págs. 26-28.
  • www.lotus-salvinia.de
  • Vídeo: Das Geheimnis des Südamerikanischen Schwimmfarns
  • Vídeo: Lufthaltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion
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