La tensión superficial es una de las áreas de interés en la investigación biomimética . Las fuerzas de tensión superficial sólo comenzarán a dominar las fuerzas gravitacionales por debajo de escalas de longitud del orden de la longitud capilar del fluido , que para el agua es de aproximadamente 2 milímetros. Debido a esta escala, los dispositivos biomiméticos que utilizan tensión superficial generalmente serán muy pequeños; sin embargo, hay muchas maneras en que dichos dispositivos podrían usarse.
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La hoja de loto es bien conocida por su capacidad para repeler el agua y autolimpiarse. Yuan [1] y sus colegas fabricaron un molde negativo de hoja de aloto a partir de polidimetilsiloxano (PDMS) para capturar las pequeñas estructuras jerárquicas esenciales para la capacidad de la hoja de repeler el agua, conocido como efecto loto . Luego se replicó la superficie de la hoja de loto permitiendo que una lámina de cobre fluyera dentro del molde negativo con la ayuda de cloruro férrico y presión. El resultado fue una superficie similar a una hoja de loto inherente a la lámina de cobre. Las mediciones del ángulo de contacto estático con el agua de la superficie biomimética se tomaron como 132° después de grabar el cobre y 153° después de un tratamiento de superficie con ácido esteárico para imitar la capa cerosa de la hoja de loto. Una superficie que imite la hoja de loto podría tener numerosas aplicaciones al proporcionar equipo para exteriores repelente al agua.
Varias especies de helechos flotantes son capaces de mantener una barrera de aire líquido-sólido entre el helecho y el agua circundante cuando están sumergidas. Al igual que la hoja de loto, las especies de helechos flotantes tienen pequeñas estructuras jerárquicas que evitan que el agua moje la superficie de la planta. Mayser y Barthlott [2] demostraron esta capacidad sumergiendo diferentes especies del helecho flotante salvinia en agua dentro de un recipiente a presión para estudiar cómo reacciona la barrera de aire entre la hoja y el agua circundante a cambios de presión que serían similares a los experimentados por el helecho salvinia. casco de un barco. Se están realizando muchas otras investigaciones utilizando estas estructuras jerárquicas en revestimientos de cascos de barcos para reducir los efectos de arrastre viscoso .
Un pulmón está compuesto por muchos sacos pequeños llamados alvéolos que permiten que el oxígeno y el dióxido de carbono entren y salgan de la sangre, respectivamente, a medida que la sangre pasa a través de pequeños capilares que rodean estos alvéolos. Los alvéolos aprovechan la tensión superficial mediante un tensioactivo producido por una de las células y liberado para reducir la tensión superficial del líquido que recubre el interior de los alvéolos para evitar que estos sacos colapsen. Huh [3] y sus compañeros investigadores crearon un imitador de pulmón que replicaba la función de las células alveolares nativas . Se cultivaron una matriz extracelular de gel, células epiteliales alveolares humanas y células endoteliales microvasculares pulmonares humanas en una membrana de polidimetilsiloxano unida a un diafragma de vacío flexible. Los ciclos de presurización del diafragma de vacío, que simulaban la respiración, mostraron una forma y función similares a las de un pulmón real. También se demostró que las células de tipo II emiten el mismo surfactante que reduce la tensión superficial del líquido que recubre el pulmón. Es de esperar que algún día esta investigación conduzca a la creación de pulmones que podrían cultivarse para pacientes que necesitan un trasplante o una reparación.
Los microvelia explotan la tensión superficial creando un gradiente de tensión superficial que los impulsa hacia adelante liberando un surfactante detrás de ellos a través de una protuberancia en forma de lengua. La ingeniería biomimética se utilizó de forma creativa y divertida para fabricar un cóctel comestible que imitaba la capacidad de las microvelias de impulsarse sobre la superficie del agua mediante un fenómeno llamado efecto marangoni . Burton [4] y sus colegas utilizaron la impresión 3D para fabricar pequeños botes de plástico que liberaban diferentes tipos de alcoholes detrás del bote para reducir la tensión superficial y crear un gradiente de tensión superficial que impulsaba cada bote. Este tipo de propulsión algún día podría utilizarse para hacer que los buques marítimos sean más eficientes.
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Los esporangios del helecho consisten en nervaduras higroscópicas que sobresalen de una espina en la parte de la planta que encapsula las esporas en un saco ( diagrama ). Se forma un puente capilar cuando el agua se condensa en la superficie de estas espinas. Cuando esta agua se evapora, las fuerzas de tensión superficial entre cada costilla hacen que la columna se retraiga y abra el saco, derramando las esporas. Borno [5] y sus compañeros investigadores fabricaron un dispositivo biomimético a partir de polidimetilsiloxano utilizando técnicas de fotolitografía estándar . Los dispositivos utilizaron las mismas costillas y espinas higroscópicas que se asemejan a los esporangios de los helechos. Los investigadores variaron las dimensiones y el espaciado de las características del dispositivo y pudieron afinar y predecir los movimientos del dispositivo en su conjunto con la esperanza de utilizar un dispositivo similar como microactuador que pueda realizar funciones utilizando energía libre de una atmósfera húmeda. .
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Un escarabajo de las hojas tiene una capacidad increíble para adherirse a superficies secas mediante el uso de numerosos puentes capilares entre las diminutas setas parecidas a pelos de sus patas. Vogel y Steen [6] notaron esto y diseñaron y construyeron un mecanismo de adhesión húmeda conmutable que imita esta capacidad. Utilizaron técnicas de fotolitografía estándar para fabricar una pinza de adhesión conmutable que utilizaba una bomba impulsada por electroósmosis para crear muchos puentes capilares que se aferrarían a casi cualquier superficie. El escarabajo de las hojas también puede revertir este efecto atrapando burbujas de aire entre sus cerdas para caminar sobre superficies mojadas o bajo el agua. Este efecto fue demostrado por Hosoda y Gorb [7] cuando construyeron una superficie biomimética que podía adherir objetos a superficies bajo el agua. El uso de esta tecnología podría ayudar a crear robots autónomos que podrían explorar terrenos traicioneros que de otro modo serían demasiado peligrosos para explorar.
Varias formas de vida que se encuentran en la naturaleza explotan la tensión superficial de diferentes maneras. Hu [8] y sus colegas observaron algunos ejemplos para crear dispositivos que imitaran las habilidades de sus contrapartes naturales para caminar sobre el agua, saltar de la interfaz líquida y escalar meniscos . Dos de esos dispositivos eran una interpretación del zancudo acuático . Ambos dispositivos imitaban la forma y función de un zancudo acuático al incorporar un movimiento de remo de un par de piernas para impulsar el dispositivo, sin embargo, uno funcionaba con energía elástica y el otro con energía eléctrica. Esta investigación comparó los distintos dispositivos biomiméticos con sus homólogos naturales mostrando la diferencia entre muchos parámetros físicos y adimensionales . Esta investigación algún día podría conducir a la creación de pequeños robots caminantes sobre el agua energéticamente eficientes que podrían usarse para limpiar derrames en vías fluviales.
El escarabajo Stenocara , originario del desierto de Namib, tiene una estructura única en su cuerpo que le permite capturar agua de una atmósfera húmeda. En el desierto de Namib, la lluvia no es muy común, pero algunas mañanas una densa niebla cubre el desierto. El escarabajo stenocara utiliza pequeñas manchas hidrofílicas elevadas en su cuerpo hidrofóbico para recolectar gotas de agua de la niebla. Una vez que estas gotas son lo suficientemente grandes, pueden desprenderse de estos puntos y rodar por la espalda del escarabajo hasta su boca. Garrod et al. [9] ha demostrado una superficie biomimética que se creó utilizando fotolitografía estándar y grabado con plasma para crear manchas hidrofílicas en un sustrato hidrofóbico para la recolección de agua. El tamaño y el espaciado óptimos de estos puntos que permitieron recolectar la mayor cantidad de agua fue similar al espaciado de los puntos en el cuerpo del escarabajo stenocara. Actualmente, se está estudiando la implementación de esta tecnología de superficie como un recubrimiento en el interior de una botella de agua que permitirá que la botella de agua se llene automáticamente si se deja abierta en un ambiente húmedo y podría ayudar a brindar ayuda donde el agua escasea.
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