Higroscopia

Fenómeno de atracción y retención de moléculas de agua.

La higroscopia es el fenómeno de atracción y retención de moléculas de agua mediante absorción o adsorción del entorno circundante , que suele estar a temperatura ambiente o normal. Si las moléculas de agua quedan suspendidas entre las moléculas de la sustancia, las sustancias adsorbidas pueden sufrir cambios físicos, por ejemplo, cambios en el volumen, el punto de ebullición , la viscosidad o alguna otra característica o propiedad física de la sustancia. Por ejemplo, un polvo higroscópico finamente disperso, como una sal, puede volverse grumoso con el tiempo debido a la acumulación de humedad del entorno circundante.

Los materiales delicuescentes son suficientemente higroscópicos como para disolverse en el agua que absorben, formando una solución acuosa .

La higroscopia es esencial para que muchas especies de plantas y animales logren su hidratación, nutrición, reproducción y/o dispersión de semillas . La evolución biológica creó soluciones higroscópicas para la recolección de agua, la resistencia a la tracción de los filamentos, la unión y el movimiento pasivo; soluciones naturales que se están considerando en la biomimética futura . ^{[1] [2]}

Etimología y pronunciación

La palabra higroscopia ( / h aɪ ˈ ɡ r ɒ s k ə p i / ) utiliza formas combinadas de higro- (para humedad) y -scopy . A diferencia de cualquier otra palabra -scopy , ya no se refiere a un modo de visualización o imagen. Comenzó de esa manera, con la palabra higroscopio haciendo referencia en la década de 1790 a los dispositivos de medición del nivel de humedad. Estos higroscopios usaban materiales, como ciertos pelos de animales, que cambiaban apreciablemente de forma y tamaño cuando se humedecían. Entonces se dijo que esos materiales eran higroscópicos porque eran adecuados para hacer un higroscopio. Finalmente, la palabra higroscopio dejó de usarse para cualquier instrumento de este tipo en el uso moderno , pero la palabra higroscópico (que tiende a retener la humedad) sobrevivió, y por lo tanto también higroscopia (la capacidad de hacerlo). Hoy en día, un instrumento para medir la humedad se llama higrómetro ( higro- + -metro ).

Historia

La literatura temprana sobre higroscopia comenzó alrededor de 1880. ^[3] Los estudios de Victor Jodin ( Annales Agronomiques , octubre de 1897) se centraron en las propiedades biológicas de la higroscopicidad. ^[4] Observó que las semillas de guisantes, tanto vivas como muertas (sin capacidad germinativa), respondían de manera similar a la humedad atmosférica, y su peso aumentaba o disminuía en relación con la variación higrométrica.

Marcelino Berthelot veía la higroscopicidad desde el punto de vista físico, un proceso fisicoquímico. El principio de reversibilidad de Berthelot, brevemente: que el agua secada del tejido vegetal podía restaurarse higroscópicamente, se publicó en "Recherches sur la desiccation des plantes et des tejidos végétaux; conditiones d'équilibre et de réversibilité" ( Annales de Chimie et de Physique , Abril de 1903). ^[4]

Léo Errera vio la higroscopicidad desde la perspectiva del físico y del químico. ^[4] Sus memorias "Sur l'Hygroscopicité comme cause de l'action psychologique à Distance" ( Recueil de l'lnstitut Botanique Léo Errera, Université de Bruxelles , tomo vi., 1906) proporcionaron una definición de higroscopia que sigue siendo válida hasta el día de hoy. . La higroscopia se "exhibe en el sentido más amplio, como se muestra

1. en la condensación del vapor de agua del aire sobre la superficie fría de un vaso;
2. en la capilaridad del cabello, lana, algodón, virutas de madera, etc.;
3. en la imbibición de agua del aire por la gelatina;
4. en la deliquescencia de la sal común;
5. en la absorción de agua del aire por ácido sulfúrico concentrado;
6. en el comportamiento de la cal viva”. ^[4]

Descripción general

Aparato para la determinación de la higroscopicidad de fertilizantes, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, c. 1930

Las sustancias higroscópicas incluyen fibras de celulosa (como el algodón y el papel), azúcar , caramelo , miel , glicerol , etanol , madera , metanol , ácido sulfúrico , muchos fertilizantes químicos, muchas sales y una amplia variedad de otras sustancias. ^[5]

Si un compuesto se disuelve en agua, entonces se considera hidrófilo . ^[6]

El cloruro de cinc y el cloruro de calcio , así como el hidróxido de potasio y el hidróxido de sodio (y muchas sales diferentes ), son tan higroscópicos que se disuelven fácilmente en el agua que absorben: esta propiedad se llama deliquescencia. El ácido sulfúrico no sólo es higroscópico en forma concentrada, sino que sus soluciones son higroscópicas hasta concentraciones del 10% v/v o inferiores. Un material higroscópico tenderá a humedecerse y a endurecerse cuando se exponga al aire húmedo (como la sal dentro de los saleros durante el clima húmedo).

Debido a su afinidad con la humedad atmosférica , los materiales higroscópicos deseables pueden requerir almacenamiento en contenedores sellados. Algunos materiales higroscópicos, por ejemplo, la sal marina y los sulfatos, se producen de forma natural en la atmósfera y sirven como semillas de nubes , núcleos de condensación de nubes (CCN). Al ser higroscópicos, sus partículas microscópicas proporcionan una superficie atractiva para que el vapor de humedad se condense y forme gotitas. Los esfuerzos modernos de siembra de nubes por parte de humanos comenzaron en 1946. ^[7]

Cuando se agregan a los alimentos u otros materiales con el propósito expreso de mantener el contenido de humedad , los materiales higroscópicos se conocen como humectantes .

Los materiales y compuestos presentan diferentes propiedades higroscópicas, y esta diferencia puede provocar efectos perjudiciales, como la concentración de tensiones en los materiales compuestos . El volumen de un material o compuesto en particular se ve afectado por la humedad ambiental y puede considerarse su coeficiente de expansión higroscópica (CHE) (también conocido como CME, o coeficiente de expansión por humedad) o el coeficiente de contracción higroscópica (CHC); la diferencia entre los dos términos es una diferencia en la convención de signos.

Las diferencias en la higroscopia se pueden observar en las tapas de libros de bolsillo laminadas con plástico: a menudo, en un entorno repentinamente húmedo, la tapa del libro se curvará hacia afuera del resto del libro. El lado no laminado de la tapa absorbe más humedad que el lado laminado y aumenta su área, lo que provoca una tensión que curva la tapa hacia el lado laminado. Esto es similar a la función de la tira bimetálica de un termostato. Los higrómetros económicos de tipo dial hacen uso de este principio utilizando una tira enrollada. La deliquescencia es el proceso por el cual una sustancia absorbe humedad de la atmósfera hasta que se disuelve en el agua absorbida y forma una solución. La deliquescencia ocurre cuando la presión de vapor de la solución que se forma es menor que la presión parcial del vapor de agua en el aire.

Si bien aquí intervienen algunas fuerzas similares, es diferente de la atracción capilar , un proceso en el que el vidrio u otras sustancias sólidas atraen agua, pero no se modifican en el proceso (por ejemplo, las moléculas de agua no quedan suspendidas entre las moléculas de vidrio).

Deliquescencia

La deliquescencia, al igual que la higroscopia, también se caracteriza por una fuerte afinidad por el agua y una tendencia a absorber la humedad de la atmósfera si se expone a ella. Sin embargo, a diferencia de la higroscopia, la deliquescencia implica la absorción de suficiente agua para formar una solución acuosa . La mayoría de los materiales deliquescentes son sales , entre ellas el cloruro de calcio , el cloruro de magnesio , el cloruro de zinc , el cloruro férrico , la carnalita , el carbonato de potasio , el fosfato de potasio , el citrato de amonio férrico , el nitrato de amonio , el hidróxido de potasio y el hidróxido de sodio . Debido a su altísima afinidad por el agua, estas sustancias se utilizan a menudo como desecantes , lo que también es una aplicación para los ácidos sulfúrico y fosfórico concentrados . Algunos compuestos deliquescentes se utilizan en la industria química para eliminar el agua producida por las reacciones químicas (véase el tubo de secado ). ^[8]

Biología

La higroscopia se presenta tanto en el reino vegetal como en el animal, y este último se beneficia de ella a través de la hidratación y la nutrición. Algunas especies de anfibios secretan un moco higroscópico que capta la humedad del aire. Las arañas que construyen telarañas producen secreciones higroscópicas que preservan la adherencia y la fuerza de adhesión de sus telarañas. Una especie de reptil acuático es capaz de viajar más allá de las limitaciones acuáticas, hacia la tierra, gracias a su tegumento higroscópico .

Las plantas se benefician de la higroscopia a través de la hidratación ^[1] y la reproducción, demostrada por ejemplos de evolución convergente . ^[2] El movimiento higroscópico (movimiento activado higrométricamente) es integral en la fertilización, liberación de semillas/esporas, dispersión y germinación. La frase "movimiento higroscópico" se originó en " Vorlesungen Über Pflanzenphysiologie " de 1904, traducido en 1907 como "Lectures on Plant Physiology" ( Ludwig Jost y RJ Harvey Gibson , Oxford, 1907). ^[9] Cuando el movimiento se vuelve de mayor escala, los tejidos vegetales afectados se denominan coloquialmente higromorfos. ^[10] La higromorfia es un mecanismo común de dispersión de semillas ya que el movimiento de los tejidos muertos responde a la variación higrométrica, ^[11] por ejemplo, la liberación de esporas de los márgenes fértiles de Onoclea sensibilis . El movimiento ocurre cuando el tejido vegetal madura, muere y se seca, las paredes celulares se secan y encogen; ^[12] y también cuando la humedad rehidrata el tejido vegetal, las paredes celulares se agrandan y expanden. ^[11] La dirección de la fuerza resultante depende de la arquitectura del tejido y es capaz de producir movimientos de flexión, torsión o enrollamiento.

Ejemplos de hidratación higroscópica

• 
  Planta de aire ( Tillandsia bulbosa )
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  La culebra acuática ( A. granulatus ) con piel higroscópica, mostrada fuera del agua
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  Una araña tejedora de orbes ( Larinioides cornutus ) con hilos de captura recubiertos de higroscópicos
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  Rana arbórea mono cérea ( Phyllomedusa sauvagii )

• Las plantas aéreas, una especie de Tillandsia , son epífitas que utilizan sus raíces degeneradas y no nutritivas para anclarse en rocas u otras plantas. Las hojas higroscópicas absorben la humedad necesaria de la humedad del aire. Las moléculas de agua recogidas se transportan desde las superficies de las hojas a una red de almacenamiento interna mediante presión osmótica con capacidad suficiente para las necesidades de crecimiento de la planta. ^[1]
• La culebra lima ( Acrochordus granulatus ), de una familia conocida como completamente acuática, tiene una piel higroscópica que le sirve como depósito de agua, retardando la desecación, lo que le permite viajar fuera del agua. ^[13]
• Otro ejemplo es la seda de captura pegajosa que se encuentra en las telarañas, por ejemplo, de la araña tejedora orbe ( Larinioides cornutus ). Esta araña, como es habitual, recubre sus hilos con un hidrogel de fabricación propia , una mezcla agregada de glicoproteínas, compuestos orgánicos e inorgánicos de baja masa molecular (LMMC) y agua. ^[14] Los LMMC son higroscópicos, al igual que el pegamento, y sus propiedades de absorción de humedad utilizan la humedad ambiental para mantener la seda de captura suave y pegajosa.
• La rana arbórea cerosa ( Phyllomedusa sauvagii ) y la rana arbórea verde australiana ( Litoria caerulea ) se benefician de dos procesos de hidratación habilitados higroscópicamente: la absorción transcutánea de la condensación en su piel ^[15] y la pérdida reducida de agua por evaporación ^[16] debido a la barrera de película de agua condensada que cubre su piel. El volumen de condensación se mejora por las secreciones higroscópicas que se limpian a través de su piel granular. ^[15]
• Algunos sapos utilizan secreciones higroscópicas para reducir la pérdida de agua por evaporación, como por ejemplo Anaxyrus sp. La secreción venenosa de su glándula parotoidea también incluye glicosaminoglicanos higroscópicos . Cuando el sapo se limpia el cuerpo con esta secreción protectora, su piel se humedece con la humedad ambiental circundante, lo que se considera una ayuda para el equilibrio hídrico. ^[16]

  

  Semillas de Trifolium pratense (trébol rojo) junto a una moneda de diez centavos de dólar estadounidense como referencia.

Fruto de saguaro ( Carnegiea gigantea ), con semillas higroscópicas que absorben la humedad.

• El trébol rojo y blanco ( Trifolium pratense ) y ( Trifolium repens ), el lupino amarillo ( Lupinus arboreus ) y varios miembros de la familia de las leguminosas tienen una válvula hiliar higroscópica (hilio) que controla los niveles de humedad del embrión de la semilla. ^[17] El saguaro ( Carnegiea gigantea ), otra especie de eudicotiledónea , también tiene semillas higroscópicas que se ha demostrado que absorben hasta un 20% de humedad atmosférica, en peso. ^[18] Funcionalmente, la válvula hiliar permite que el vapor de agua entre o salga para asegurar la viabilidad, mientras bloquea el agua líquida. Sin embargo, si los niveles de humedad aumentan gradualmente a un nivel suficientemente alto, la válvula hiliar permanece abierta, permitiendo el paso de agua líquida para la germinación. ^[17] Fisiológicamente, las epidermis interna y externa tienen un control independiente de la válvula hiliar. La epidermis externa tiene células en forma de columna, dispuestas anularmente alrededor del hilio. Estas células de la contraempalizada, al ser higroscópicas, responden a la humedad externa hinchándose y cerrando la válvula hiliar durante la humedad alta, impidiendo la absorción de agua en la semilla. De manera reversible, se arrugan, abriendo la válvula durante la humedad baja, permitiendo que la semilla expulse el exceso de humedad. La epidermis interna, dentro del tegumento impermeable de la semilla, tiene células de la epidermis en empalizada, una segunda capa higroscópica dispuesta en forma anular en sintonía con el nivel de humedad del embrión. Existe una tensión de humedad entre las células de la empalizada interna y externa. Para que el hilio se cierre, esta humedad debe superar un nivel mínimo (14-25% para estas especies). ^[19] Mientras la válvula hiliar está abierta (es decir, baja humedad externa), si la humedad aumenta repentinamente, la tensión de humedad alcanza ese umbral protector y el hilio se cierra, impidiendo que entre humedad (agua líquida). Sin embargo, si la humedad exterior aumenta gradualmente, lo que implica condiciones de crecimiento adecuadas, el nivel de tensión de humedad no excede inmediatamente el umbral, lo que mantiene el hilio abierto y permite la entrada gradual de humedad necesaria para la imbibición . ^[17]

Ejemplos de propagación asistida por higroscopía

Un ejemplo típico del movimiento higroscópico son los tejidos vegetales con "células de paredes gruesas paralelas y apretadas (columnares) que responden expandiéndose longitudinalmente cuando se exponen a la humedad y encogiéndose cuando se secan (Reyssat et al., 2009)". ^[10] La orientación celular, la estructura del patrón (anular, plana, bicapa o tricapa) y los efectos de la orientación celular de la superficie opuesta controlan la reacción higroscópica. Las encapsulaciones de semillas sensibles a la humedad dependen de la apertura de las válvulas cuando se exponen a la humedad o al secado; las estructuras de tejido discontinuas proporcionan dichos puntos de ruptura predeterminados (suturas), a menudo implementados a través de un espesor de pared celular reducido o costuras dentro de estructuras bicapa o tricapa. ^[2] Las distribuciones graduadas que varían en densidad y/o orientación celular enfocan el movimiento higroscópico, observado frecuentemente como actuadores biológicos (una función de bisagra); por ejemplo, las piñas ( Pinus spp. ), la planta de hielo ( Aizoaceae spp. ) y el trigo ( Triticum spp. ), ^[20] que se describen a continuación.

Ilustración botánica, Xerochrysum (Helichrysum) bracteatum ; No.1- Capitulum [brácteas, floretes, estambres]

• Las matrices de células higroscópicas de dos capas actúan como una bisagra del capítulo en algunas plantas, como por ejemplo Xerochrysum bracteatum y Syngonanthus elegans ^{. La curvatura higroscópica de las brácteas involucrales que rodean un capítulo contribuye a la protección de las flores y la polinización [21]} y ayuda a la dispersión al proteger los delicados filamentos de pappi del enredo o la destrucción por la precipitación, ^[22] por ejemplo Taraxacum (diente de león). En la naturaleza, estas brácteas involucrales tienen un ritmo diurno . El verticilo de brácteas higroscópicas se dobla hacia afuera exponiendo el capítulo (ver ilustración) durante el día, luego hacia adentro, cerrándolo por la noche, a medida que la humedad relativa cambia en respuesta al cambio de temperatura diario. Las brácteas son escariosas , la bisagra y la lámina están compuestas exclusivamente de células muertas (Nishikawa et al., 2008), lo que permite que las brácteas activadas higroscópicamente funcionen desde la floración hasta la dispersión de los aquenios. ^[21] Fisiológicamente, la sección inferior de la bráctea es la fuente de la función de bisagra, que consiste en tejido abaxial (pétalo interno) similar al esclerénquima, parénquima y epidermis adaxial (tejido del pétalo externo). ^[21] La composición de la pared celular de la bráctea es bastante uniforme, pero sus células cambian gradualmente de orientación. La curvatura higroscópica de la bráctea se debe a las diferentes orientaciones celulares de sus epidermis interna y externa, lo que causa gradientes de fuerza adaxial-abaxial entre lados opuestos que cambian con la humedad; por lo tanto, la fuerza higrométrica agregada, al unísono, controla la apertura y el cierre repetitivos del capítulo.
• Algunos árboles y arbustos en regiones propensas a incendios desarrollaron una dispersión higroscópica de dos etapas: una inicial termosensible (calor extremo o fuego), luego una liberación de semillas serotínicas higrosensibles. Algunos ejemplos son los frutos leñosos de Myrtaceae (por ejemplo, Eucalyptus especies plurimae, Melaleuca spp. ) y Proteaceae (por ejemplo, Hakea spp., Banksia spp., Xylomelum spp. ) y los conos leñosos de Pinaceae (por ejemplo, Pinus spp. ) y la familia de los cipreses ( Cupressaceae ), por ejemplo, la sequoia gigante ( Sequoiadendron giganteum )). ^{[2] [23]} Típicos en el pino lodgepole ( Pinus contorta ), Eucalyptus y Banksia son encapsulaciones de semillas selladas con resina que requieren el calor del fuego para derretir físicamente la resina, lo que permite la liberación de semillas serotínicas . ^[24] Estas encapsulaciones de semillas pueden "reducir la pérdida o daño de las semillas causado por granívoros , desecación e incendios (Moya et al., 2008; Talluto y Benkman, 2014; Lamont et al., 2016, 2020)". [ ^2] La similitud de las técnicas de dispersión de doble etapa entre diferentes clados, angiospermas y gimnospermas , puede interpretarse como resultado de la evolución convergente (por ejemplo, Clarke et al., 2013). ^[2]

  

  Cono de Banksia Attenuata con folículos abiertos

  • Banksia attenuata , típica de Banksia spp. , tiene un folículo portador de semillas compuesto por una red celular higroscópica de dos capas. El folículo leñoso es termosensible, luego responde a la higrorrespuesta; la humedad serotinosa abre la sutura ventral y expone la semilla cuando las condiciones de germinación son favorables. ^[23] Fisiológicamente, las valvas del folículo sensibles al calor de Banksia spp. están selladas por una capa de cera (resina), liberada por altas temperaturas ambientales (fuego), "facilitando así la apertura (p. ej., Huss et al., 2018)". ^[2] El mesocarpio del folículo consta de haces de fibras ramificadas de alta densidad; el endocarpio, fibras paralelas de baja densidad. Una sutura es causada por movimientos higroscópicos diferenciales entre capas, sus estructuras de microfibrillas tienen una gran disparidad de ángulos (ángulo de microfibrillas (MFA) γ = 75–90°). ^[2]
  • Las escamas de las piñas ( pinaceae spp. ) emplean una bisagra higromórfica para la liberación de sus semillas. La fisiología implica una estructura de dos capas de células largas y paralelas de paredes gruesas muy juntas. Las alineaciones de las fibras dentro de las capas no son uniformes, varían longitudinalmente, produciendo diferentes ángulos de microfibrillas (MFA) de 30° y 74° entre capas a lo largo de la extensión de la escama. ^[23] La región de mayor MFA, el nudillo de la bisagra, es una pequeña región cerca de la unión de la escama y la nervadura central (tallo central). ^[10] En las piñas maduras, la capa de escamas externa es el tejido de control, sus células largas de paredes gruesas responden longitudinalmente a la humedad ambiental. La distorsión ocurre en la región del nudillo a medida que el movimiento de la capa externa supera al de la capa de escamas interna más pasiva, lo que obliga a la escama a doblarse o flexionarse. El resto de la escama es higroscópicamente pasivo, aunque amplifica el desplazamiento del ápice a través de la longitud y geométricamente; ^[10] p. ej., doblando la escala para cerrarla con hidratación o flexionándola para abrirla con deshidratación, liberando la semilla.

    

    Capítulo y aquenio [semilla-pico-placa apical-vilano] de Taraxacum officinale

• Las plantas con flores de la familia Asteraceae tienen una dispersión influenciada higroscópicamente, coordinando la anemocoria (dispersión por el viento) con condiciones ambientales favorables, ^[25] común en los géneros A. Erigeron , Leontodon , Senecio , Sonchus y Taraxacum . ^[26] Como ejemplo, el vilano que permite el vuelo del aquenio de diente de león común experimenta una transformación binaria (apertura o cierre) de sus filamentos similares a bigotes, al unísono con respuestas en coro de los aquenios restantes. El movimiento del vilano se controla mediante un actuador higroscópico en la placa apical, en la parte superior del pico, el lugar de todos los filamentos del aquenio. La alta humedad hace que cada vilano se cierre, contrayendo su estructura con patrón radial, reduciendo su área y la probabilidad de dispersión por corrientes de viento. ^[25] Para cualquier aquenio que se libera, la dinámica de vuelo del vilano reducido limita drásticamente el rango de dispersión. ^[25] La capacidad de respuesta del actuador higroscópico a los cambios en la humedad relativa (HR) es predecible y repetible; por ejemplo, los pappi de centaurea imperialis permanecen cerrados a ≥ 78 % de HR y se abren completamente a ≤ 75 % de HR. ^[22] Durante condiciones de humedad más bajas y favorables, los pappi se expanden completamente y se vuelve a habilitar la alocoria de la corriente de viento.

  

  Vainas de semillas del árbol de orquídea ( Bauhinia variegata )

• El árbol de orquídeas ( Bauhinia variegata ) depende de la torsión sensible a la humedad para su dispersión. Su cápsula de semillas contiene dos capas de fibras de esclerénquima higroscópicas , casi ortogonales, que se unen en las valvas. Durante la dehiscencia, el gran ángulo de microfibrillas de 90° entre las capas del endocarpio , ^[23] combinado con la contracción de ambos lados, da como resultado pares helicoidales opuestos ^[2] que fuerzan una sutura en el punto más débil, las valvas de la cápsula de semillas; su apertura libera las semillas. ^[21]

  

  Flores y cápsulas de semillas de varias etapas de Ruschia sp. ( Aizoaceae )

• Algunas plantas sincronizan la apertura de su cápsula de semillas maduras con la lluvia activa: higrocasia. Esta técnica de dispersión se observa con frecuencia en las regiones áridas del sur y este de África, el desierto israelí, partes de América del Norte y Somalia, y se cree que evolucionó para ofrecer mayores tasas de supervivencia en entornos áridos. ^[27] La ​​higrocasia se asocia comúnmente con la familia Aizoaceae spp. , la planta de hielo, ya que > 98% de sus especies utilizan la dehiscencia posterior a la humectación ; dicha dispersión también se observa en la familia Plantaginaceae con la Verónica alpina de Nueva Zelanda, que evolucionó en los últimos 9 Myr. ^[27] Todas las cápsulas de semillas tienen en común quillas higroscópicas (valvas) dispuestas circunferencialmente triangulares que cubren sus semillas. Estas válvulas protectoras se abren mecánicamente solo cuando se hidratan con agua líquida. ^[28] Cada quilla (cinco para Delosperma nakurense (Engl.) Herre ) está compuesta de tejido reticular celulósico que se hincha con la hidratación y se abre en minutos. Las células agrandadas fuerzan el enderezamiento de un pliegue desecado inherente en la quilla, la bisagra higroscópica, cerca de la unión de la quilla con el perímetro de la cápsula. Completamente abierta, la quilla gira 150°, ^[28] hacia arriba y luego hacia atrás, exponiendo los compartimentos de semillas, uno debajo de cada valva, separados por septos , todos descansando sobre el piso de la cápsula. Las semillas son visibles, pero restringidas por el anillo en forma de copa creado por las quillas circundantes. El requisito final para la dispersión es la lluvia, o humedad suficiente, para eliminar las semillas de esta barrera, coloquialmente denominada copa de salpicaduras. ^[27] Las semillas que se desbordan o salpican de la copa se dispersan al suelo cercano. Las semillas restantes se conservarán cuando las quillas se sequen, se encojan higroscópicamente y vuelvan a su estado natural, plegado y cerrado. El proceso higromórfico es reversible y repetible; las semillas desatendidas tienen la posibilidad de dispersarse posteriormente a través de futuras lluvias.

  

  Aquenios del pico de cigüeña común ( Erodium cicutarium ) con aristas enrolladas

  

  Yemas de semillas de aguja e hilo ( Hesperostipa comata )

• Las semillas de algunas hierbas y pastos con flores tienen apéndices higroscópicos (aristas) que se doblan con los cambios de humedad, lo que les permite dispersarse por el suelo, lo que se denomina herpocoria . La arista se empujará (o se torcerá) cuando se libere la semilla; su movimiento depende de la fisiología de la planta. Los cambios higrométricos posteriores hacen que los movimientos se repitan, empujando (o torciendo) la semilla hacia el suelo. ^[20]

Dos familias de angiospermas tienen métodos similares de dispersión, aunque el método de implementación varía dentro de la familia: los ejemplos de la familia Geraniaceae son el pico de cigüeña común ( Erodium cicutarium ) y los geranios ( Pelargonium sp. ); la familia Poaceae , la aguja y el hilo ( Hesperostipa comata ) y el trigo ( Triticum spp. ). Todos dependen de una fisiología celular higroscópica de fibras paralelas de dos capas para controlar el movimiento de la arista para la dispersión y el autoenterramiento de las semillas. ^[2] La alineación de las fibrillas de celulosa en la pared celular controladora de la arista determina la dirección del movimiento. Si las alineaciones de las fibras están inclinadas, la venación no es paralela, se desarrolla una hélice y el movimiento de la arista se vuelve torcido (enrollado) en lugar de doblarse; ^[21] por ejemplo, el enrollamiento ocurre en las aristas de Erodium , ^[2] y Hesperostipa . ^[29]

• Algunas plantas utilizan movimientos higroscópicos para la autodispersión , es decir, balistas activos que expulsan con fuerza sus semillas; por ejemplo, especies de geranio, violeta, acedera, hamamelis, impatiens y acanto. Se dice que la rotura de la vaina de la semilla de Bauhinia purpurea impulsa sus semillas hasta 15 metros de distancia. ^[30]

Propiedades de ingeniería

Cualidades higroscópicas de varios materiales ilustradas en forma de gráfico; humedad relativa en el eje X y contenido de humedad en el eje Y.

La higroscopicidad es un término general que se utiliza para describir la capacidad de un material para absorber la humedad del entorno. ^[31] No existe una definición cuantitativa estándar de higroscopicidad, por lo que, en general, la calificación de higroscópico y no higroscópico se determina caso por caso. Por ejemplo, los productos farmacéuticos que absorben más del 5 % en masa, entre el 40 y el 90 % de humedad relativa a 25 °C, se describen como higroscópicos, mientras que los materiales que absorben menos del 1 %, en las mismas condiciones, se consideran no higroscópicos. ^[32]

La cantidad de humedad que retienen los materiales higroscópicos suele ser proporcional a la humedad relativa. En muchos manuales de ingeniería se pueden encontrar tablas que contienen esta información y también se pueden obtener de proveedores de diversos materiales y productos químicos.

La higroscopia también desempeña un papel importante en la ingeniería de materiales plásticos. Algunos plásticos, como el nailon , son higroscópicos, mientras que otros no.

Polímeros

Muchos polímeros de ingeniería son higroscópicos, incluidos el nailon , el ABS , el policarbonato , la celulosa , la carboximetilcelulosa y el poli(metacrilato de metilo) (PMMA, plexiglás , perspex ).

Otros polímeros, como el polietileno y el poliestireno , normalmente no absorben mucha humedad, pero son capaces de transportar una humedad significativa en su superficie cuando se exponen al agua líquida. ^[33]

El nailon tipo 6 (una poliamida ) puede absorber hasta el 9,5 % de su peso en humedad. ^[34]

Aplicaciones en panadería

El uso de las propiedades higroscópicas de diferentes sustancias en la repostería se utiliza a menudo para lograr diferencias en el contenido de humedad y, por lo tanto, en la textura crujiente. Se utilizan diferentes variedades de azúcares en diferentes cantidades para producir una galleta crujiente y crocante (en inglés británico: biscuit) frente a un pastel suave y masticable. Los azúcares como la miel , el azúcar moreno y la melaza son ejemplos de edulcorantes utilizados para crear pasteles más húmedos y masticables. ^[35]

Investigación

Se han demostrado varios enfoques higroscópicos para recolectar la humedad atmosférica y es necesario seguir desarrollándolos para evaluar su potencial como fuente de agua viable.

• Los experimentos con recolección de niebla, en entornos selectos, duplicaron las superficies hidrófilas y la humectación superficial higroscópica observada en la hidratación de las ranas arbóreas ( biomimetismo ). Las optimizaciones de materiales posteriores desarrollaron superficies hidrófilas artificiales con tasas de recolección de 25 mg H ₂ O/(cm ² h), más del doble de la tasa de recolección de las ranas arbóreas en condiciones comparables, es decir, 100% HR (humedad relativa). ^[16]
• Otro enfoque funciona con una humedad relativa más baja, del 15 al 30 %, pero también tiene limitaciones ambientales; es necesaria una fuente de biomasa sostenible. Las películas de polímeros superhigroscópicos compuestas de biomasa y sales higroscópicas pueden condensar la humedad de la humedad atmosférica. ^[16] Al implementar una cinética rápida de sorción-desorción y operar entre 14 y 24 ciclos por día, esta técnica produjo un rendimiento de agua equivalente de 5,8 a 13,3 L kg ⁻¹ de materias primas sostenibles, lo que demuestra el potencial para la recolección de agua atmosférica a bajo costo y escalable. ^[36]

Los pegamentos higroscópicos son candidatos para el desarrollo comercial. La causa más común de falla de los pegamentos sintéticos en condiciones de alta humedad se atribuye a la lubricación con agua del área de contacto, lo que afecta la calidad de la unión. Los pegamentos higroscópicos pueden permitir uniones adhesivas más duraderas al absorber (extraer) la humedad ambiental interfacial de la unión entre el pegamento y el sustrato. ^[14]

La integración del movimiento higroscópico en los diseños y sistemas de edificios inteligentes es un tema que se menciona con frecuencia, por ejemplo, en el caso de las ventanas que se abren solas. ^[20] Este tipo de movimiento es atractivo, ya que se trata de una respuesta adaptativa que se moldea a sí misma y que no requiere de ninguna fuerza o energía externa. Sin embargo, las capacidades de las opciones de materiales actuales son limitadas. Se ha modelado y evaluado el diseño biomimético de compuestos de madera higromórficos y sistemas de construcción accionados por higro. ^[37]

• Falta tiempo de respuesta higrométrica, cambios de forma precisos y durabilidad. La mayoría de los compuestos accionados por higrometría disponibles actualmente son inferiores y presentan fallas por fatiga mucho antes de las observadas en la naturaleza, por ejemplo, en las escamas de las piñas, lo que indica que se necesita una mejor comprensión de las estructuras biológicas de las plantas. ^[37] Son necesarios materiales compuestos por sistemas de bicapa activa que respondan a los fluidos y que puedan dirigir la higromorfización conformacional planificada. ^[20]
• Los compuestos actuales requieren compensaciones indeseables entre el tiempo de respuesta higromórfica y la estabilidad mecánica que también deben equilibrarse con los estímulos ambientales cambiantes. ^[37]

Véase también

• Núcleos de condensación de nubes
• Humedad relativa crítica
• Eflorescente
• Contenido de humedad de equilibrio
• Hidrófilo
• Hidrófobo

Referencias

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Enlaces externos

• Vídeo sobre la delicuescencia del cloruro de calcio
• El movimiento de sales orgánicas higroscópicas