Efecto loto - Lotus effect
El efecto de loto se refiere a las propiedades de autolimpieza que son el resultado de la ultrahidrofobicidad exhibida por 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 en la superficie, lo que minimiza la adhesión de la gota 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 . Wilhelm Barthlott y Ehler estudiaron en 1977 la propiedad de autolimpieza de las superficies micro- nanoestructuradas ultrahidrófobas , quienes describieron tales propiedades de autolimpieza y ultrahidrófobas por primera vez como el "efecto loto"; Los materiales ultrahidrófobos de perfluoroalquilo y perfluoropoliéter fueron desarrollados por Brown en 1986 para el manejo de fluidos químicos y biológicos. Otras aplicaciones biotécnicas han surgido desde la década de 1990.
Principio funcional
La alta tensión superficial del agua hace que las gotas adopten una forma casi esférica, ya que una esfera tiene un área superficial mínima y, por lo tanto, esta forma minimiza la energía superficial sólido-líquido. Al contacto del líquido con una superficie, las fuerzas de adhesión dan como resultado la humectación de la superficie. 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 hidrofóbica repelente al agua 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 estructura doble jerárquica está formada por una epidermis característica (su capa más externa llamada cutícula) y las ceras que la recubren. 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 imponen las denominadas 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. Las superficies con un ángulo de contacto <90 ° se denominan hidrófilas y las que tienen un ángulo> 90 ° como 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 °, por lo que el área de contacto de la gota es solo del 0,6%. Todo esto conduce a un efecto autolimpiante.
Las partículas de suciedad con un área de contacto extremadamente reducida son recogidas por gotas de agua y, por lo tanto, se limpian fácilmente de la superficie. Si una gota de agua rueda por una superficie tan contaminada, la adhesión 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 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 protege contra los grafitis.
Este efecto es de gran importancia para las plantas como protección contra patógenos como el crecimiento de 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 del área de la superficie de una planta expuesta a la luz, lo que resulta en una fotosíntesis reducida.
Aplicación técnica
Cuando se descubrió que las cualidades de autolimpieza de las superficies ultrahidrófobas provienen de propiedades físico-químicas a escala microscópica a nanoscópica más que de las propiedades químicas específicas de la superficie de la hoja, surgió la posibilidad de utilizar este efecto en superficies artificiales, imitando naturaleza de una manera general en lugar de una específica.
Algunos nanotecnólogos han desarrollado tratamientos, revestimientos, pinturas, tejas, tejidos y otras superficies que pueden mantenerse secas y limpiarse replicando de manera técnica las propiedades autolimpiantes de las plantas, como la planta de loto. Esto normalmente se puede lograr usando tratamientos especiales de fluoroquímicos o 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 femtosegundos 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 autolimpiables para reducir la transmisión de enfermedades.
Se han comercializado otras aplicaciones, como los cristales autolimpiantes instalados en los sensores de las unidades de control de tráfico de las autopistas alemanas, desarrollados por un socio colaborador (Ferro GmbH). Las empresas suizas HeiQ y Schoeller Textil han desarrollado textiles resistentes a las manchas con las marcas " HeiQ Eco Dry " y " nanosphere ", respectivamente. En octubre de 2005, las pruebas del Instituto de Investigación Hohenstein mostraron que la ropa tratada con tecnología NanoSphere permitía que la salsa de tomate, el café y el vino tinto se lavaran fácilmente incluso después de unos pocos lavados. Otra posible aplicación es, por tanto, con toldos, lonas y velas autolimpiantes, que de otra manera se ensucian rápidamente y son difíciles de limpiar.
Los recubrimientos superhidrofóbicos aplicados a las antenas de microondas pueden reducir significativamente el desvanecimiento por lluvia y la acumulación de hielo y nieve. Los productos "fáciles de limpiar" en los anuncios a menudo se confunden con el nombre de las propiedades de autolimpieza de las superficies hidrófobas o ultrahidrófobas. Las superficies ultrahidrófobas con dibujos también son prometedoras para los dispositivos de microfluidos de "laboratorio en un chip" y pueden mejorar en gran medida el bioanálisis basado en superficies.
Se han utilizado propiedades superhidrófobas o hidrófobas en la recolección de rocío o en la canalización de agua a una cuenca 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 en un recipiente para su liberación 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 (la referencia al efecto del loto se encuentra en el Bhagavad Gita ), su mecanismo se explicó solo a principios de la década de 1970 después de la introducción del microscopio electrónico de barrido . Los estudios se realizaron con hojas de Tropaeolum y lotus ( Nelumbo ). "The Lotus Effect" es una marca registrada de STO SE & CO. KGAA (número de registro de EE. UU. 2613850). Similar al efecto de loto, un estudio reciente ha revelado microestructuras en forma de panal en la hoja de taro, lo que hace que la hoja sea superhidrófoba. El ángulo de contacto medido en esta hoja en este estudio es de alrededor de 148 grados.
Ver también
Referencias
enlaces externos
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Medios relacionados con la animación del efecto loto en Wikimedia Commons - Video que muestra la comparación entre hojas de plantas con y sin efecto de loto en YouTube
- Efecto de loto del grupo del proyecto - Nees Institut para la biodiversidad de las plantas Universidad Friedrich-Wilhelm de Bonn
- Artículo de Scientific American : "Materiales autolimpiantes: nanotecnología inspirada en la hoja de loto"
