La tensión superficial es una de las áreas de interés en la investigación biomimética . Las fuerzas de tensión superficial solo 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 la tensión superficial generalmente serán muy pequeños, sin embargo, existen muchas formas en las que se podrían utilizar dichos dispositivos.
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La hoja de loto es conocida por su capacidad de repeler el agua y autolimpiarse. Yuan [1] y sus colegas fabricaron un molde negativo de una hoja de loto a partir de polidimetilsiloxano (PDMS) para capturar las diminutas estructuras jerárquicas que son fundamentales para la capacidad de la hoja de repeler el agua, conocida como el efecto loto . Luego, se replicó la superficie de la hoja de loto permitiendo que una lámina de cobre fluyera hacia el molde negativo con la ayuda de cloruro férrico y presión. El resultado fue una superficie similar a la de 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 en 132° después de grabar el cobre y 153° después de un tratamiento de superficie con ácido esteárico para imitar el revestimiento ceroso de la hoja de loto. Una superficie que imita a 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 sólido-líquido 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 impiden 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 los cambios de presión que serían similares a los que experimenta el casco de un barco. Se están realizando muchas otras investigaciones que utilizan estas estructuras jerárquicas en revestimientos de cascos de barcos para reducir los efectos de arrastre viscoso .
Un pulmón está compuesto de muchos sacos pequeños llamados alvéolos que permiten que el oxígeno y el dióxido de carbono se difundan dentro y fuera de la sangre respectivamente a medida que la sangre pasa a través de pequeños capilares que rodean estos alvéolos. Los alvéolos explotan la tensión superficial por medio de un surfactante que es 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 colegas investigadores crearon un imitador de pulmón que replicaba la función de las células alveolares nativas . Una matriz extracelular de gel, células epiteliales alveolares humanas y células endoteliales microvasculares pulmonares humanas se cultivaron en una membrana de polidimetilsiloxano que estaba 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 un pulmón real. También se demostró que las células de tipo II emitían el mismo surfactante que reducía la tensión superficial del líquido que recubría el imitador de pulmón. Se espera que algún día esta investigación conduzca a la creación de pulmones que puedan cultivarse para pacientes que necesiten un trasplante o una reparación.
Las microvelias explotan la tensión superficial creando un gradiente de tensión superficial que las impulsa hacia adelante al liberar un surfactante detrás de ellas a través de una protuberancia similar a una lengua. La ingeniería biomimética se utilizó de una manera creativa y divertida para hacer un bote de cóctel comestible que imitaba la capacidad de las microvelias para impulsarse en la superficie del agua por medio de un fenómeno llamado efecto marangoni . Burton [4] y sus colegas utilizaron la impresión 3D para hacer 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 podría algún día usarse para hacer que los buques marítimos sean más eficientes.
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Los esporangios de los helechos consisten en costillas 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 espina se retraiga y rasgue el saco, derramando las esporas. Borno [5] y sus colegas investigadores fabricaron un dispositivo biomimético a partir de polidimetilsiloxano utilizando técnicas de fotolitografía estándar . Los dispositivos usaban 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 ajustar y predecir los movimientos del dispositivo en su conjunto con la esperanza de usar un dispositivo similar como un microactuador que pueda realizar funciones utilizando energía libre de una atmósfera húmeda.
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El escarabajo de las hojas tiene una increíble capacidad para adherirse a superficies secas mediante numerosos puentes capilares entre las diminutas cerdas de sus patas, que parecen pelos. Vogel y Steen [6] se dieron cuenta de esto y diseñaron y construyeron un mecanismo de adhesión húmeda conmutable que imita esta capacidad. Utilizaron técnicas estándar de fotolitografía para fabricar una pinza de adhesión conmutable que utilizaba una bomba impulsada por electroósmosis para crear muchos puentes capilares que se adherirían 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 húmedas 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 serían capaces de 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 analizaron algunos ejemplos para crear dispositivos que imitaran las habilidades de sus contrapartes naturales para caminar sobre el agua, saltar desde la interfaz líquida y trepar meniscos . Dos de estos dispositivos eran una representación del zapatero acuático . Ambos dispositivos imitaban la forma y la función de un zapatero acuático al incorporar un movimiento de remo de un par de piernas para impulsar el dispositivo, sin embargo, uno estaba alimentado con energía elástica y el otro con energía eléctrica. Esta investigación comparó los diversos dispositivos biomiméticos con sus contrapartes naturales al mostrar la diferencia entre muchos parámetros físicos y adimensionales . Esta investigación podría algún día conducir a robots pequeños y energéticamente eficientes que caminen sobre el agua y que podrían usarse para limpiar derrames en vías fluviales.
El escarabajo Stenocara , nativo 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 algo muy común, pero algunas mañanas una densa niebla se extiende sobre el desierto. El escarabajo Stenocara utiliza pequeños puntos hidrófilos elevados en su cuerpo hidrófobo 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 de plasma para crear puntos hidrófilos en un sustrato hidrófobo para la recolección de agua. El tamaño y el espaciado óptimos de estos puntos que permitieron recolectar la mayor cantidad de agua fueron similares al espaciado de los puntos en el cuerpo del escarabajo Stenocara. Actualmente, se está estudiando esta tecnología de superficie para implementarla como un recubrimiento en el interior de una botella de agua que permitirá que la botella se llene sola si se deja abierta en un ambiente húmedo y podría ayudar a proporcionar ayuda donde el agua es escasa.
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